LTP i LTD: Długotrwałe wzmocnienie i osłabienie synaptyczne.

Przemysław Borys

Raport z 04.10.2011

Wydział Chemiczny

Politechnika Śląska

ul. ks. M. Strzody 9

44-100 Gliwice

Przemyslaw.Borys@polsl.pl

1

Wprowadzenie

W ostatnich latach postępy biologii dały wielki wkład w zrozumienie procesów uczenia się.

W połowie XX wieku Jerzy Konorski (Konorski 1948) sformułował pojęcie plastyczności, a

następnie Donald Olding Hebb (Hebb 1949) określił zasady uczenia się sieci neuronowych.

Plastyczność zdefiniowana została jako „własność, dzięki której w określonych układach neuronów

powstają trwałe przekształcenia funkcjonalne w wyniku określonych bodźców lub ich kombinacji”,

natomiast zasada uczenia sieci neuronowej mówi, że „gdy akson komórki A pobudza komórkę B i

powtarzalnie bierze udział w jej aktywacji, to w komórkach A i B mogą zajść procesy wzrostu

skutkujące zwiększeniem efektywności pobudzania B przez A”.

Na przełomie lat 60/70 XX wieku, dzięki badaniom Erica Kandela na ślimaku morskim

Aplysia (Kandel 2000, Purves 2004) oraz badaniom na ssakach prowadzonym przez Tima Blissa

oraz Terje Lomo (Bliss 1973), a w późniejszym okresie Masao Ito (Ito 1982) położono

neurobiologiczne postawy tych teorii. Odkryto takie mechanizmy uczenia, jak długotrwałe

wzmocnienie i osłabienie synaptyczne u ssaków (LTP—Long Term Potentiation, LTD—Long Term

Depression) czy długotrwałe uwrażliwienie (sensytyzację1) i habituację synaptyczną (LTF—Long

Term Facilitation, LTH—Long Term Habituation) u ślimaka Aplysia.

W 2000 roku Ericowi Kandelowi przyznano nagrodę Nobla (Kandel 2000), a w kolejnej

dekadzie ustabilizowała się znaczna część wiedzy na temat długotrwałego wzmocnienia

synaptycznego w hipokampie. Obecnie sporo też wiadomo o plastyczności komórek Purkinjego

móżdżku, natomiast, paradoksalnie, najwięcej luk w wiedzy pojawia się w studiach procesów

plastycznych ślimaka Aplysia, który przed laty miał być najprostszym organizmem modelowym

(jedyne 20000 neuronów) (Hawkins 2008, Glanzman 2006).

W następujących paragrafach chciałbym najpierw przedstawić procesy synaptyczne u

ślimaka Aplysia Californica, a następnie przejść do omówienia LTP i LTD, odpowiadających za

1 Często można spotkać wymienne stosowanie terminów sensytyzacja i uwrażliwienie synaptyczne. Ściśle jednak,

sensytyzacja odnosi się do uwrażliwienia behawioralnej reakcji odruchowej całego zwierzęcia, a uwrażliwienie

synaptyczne opisuje jedynie zmiany w obrębie pojedynczej synapsy (Brunelli 1976).

2

pamięć epizodyczną w hipokampie ssaków (głównie gryzoni) oraz procesów LTD/LTP

odpowiadających za pamięć motoryczną w móżdżku. Tekst nie zawiera z konieczności wszystkich

dostępnych szczegółów (konieczna byłaby monografia o rozpiętości kilkuset stron), prowadzony

jest natomiast w taki sposób, aby zaznajomić czytelnika ze strukturą zagadnienia w stopniu

umożliwiającym łatwe wykorzystanie pozycji bibliograficznych w celu poszerzenia wiadomości.

Szczególny nacisk położony jest na omówienie ścieżek transdukcji sygnałów w procesach

plastycznych i uchwycenie ich „całościowego” obrazu. Tekst opatrzony jest ilustracjami i mam

nadzieję, że okaże się dobrym uzupełnieniem dla starszych (i niestety nie wolnodostępnych) pozycji

literaturowych w języku polskim, jak (Kossut 1994, Gorzelańczyk 2000).

Pamięć ślimaka morskiego

Ponad 40 lat temu Eric Kandel (Kandel 2000) odkrył, że jeśli u ślimaka Aplysia (rys. 1)

dotknąć syfonu, to wycofuje on odruchowo skrzele w reakcji obronnej. Kilkakrotne podrażnienie

wywołuje habituację i wielotygodniowy zanik tego odruchu. Jeśli u takiego niereaktywnego

ślimaka podrażnić syfon równocześnie z elektryczną stymulacją ogona to odruch obronny powraca.

Pojedyncza stymulacja przywraca go na godzinę, natomiast powtórzenie jej kilka razy utrwala

odruch na kilka tygodni.

Habituacja

Badania mikroskopowe pokazały, że wczesnym etapom habituacji odpowiada zmniejszanie

Rysunek 1: Aplysia Californica

3

się zdatnych do uwolnienia zasobów neuroprzekaźnika—glutaminianu—w synapsie między

neuronem czuciowym a motoneuronem. Wiązano to z upośledzeniem wiązania pęcherzyków

synaptycznych ze strefą aktywną synapsy2 (Bailey 1988). Pogląd ten trwał do końca lat

dziewięćdziesiątych, kiedy opublikowano pracę (Armitage 1998), w której wprawdzie

potwierdzono, że wczesna habituacja następuje w obszarze presynaptycznym, ale równocześnie

zaznaczono, że zubożenie warstwy aktywnej w pęcherzyki synaptyczne jest zbyt małe, by

wygenerować odpowiednie zmiany potencjałów postsynaptycznych. Co więcej stwierdzono, że

protokoły stymulacyjne Bailey'a są dalekie od fizjologicznych (zbyt intensywne) i trudno określić,

czy jego wyniki można uogólnić na efekty zachodzące w żywym organizmie. Przeanalizowano też

inne proponowane wcześniej mechanizmy habituacji, np. sygnalizację zmian plastycznych za

pomocą prądu wapniowego, wnikającego do komórki podczas depolaryzacji. Możliwość ta została

wykluczona w eksperymentach z powolnymi chelatorami, które unieczynniały wapń tuż po

odegraniu roli w egzocytozie pęcherzyków synaptycznych. Procedura ta nie miała wpływu na

habituację. Rozpatrzono również możliwość zwyczajnej inaktywacji kanału wapniowego z

postępem habituacji. I tu również eksperyment (Armitage 1998) pokazuje, że nic takiego się nie

dzieje, a przebieg prądu wapniowego pozostaje niezmieniony w przebiegu habituacji. W

konsekwencji autorzy zaproponowali, że być może samo zajście fuzji pęcherzyka synaptycznego z

membraną powoduje utrudnienia w wydzielaniu kolejnego pęcherzyka.

Tematykę habituacji podejmowali następnie Gover i Abrams (Gover 2009). Oni również

doszli do wniosku, że samo zubożanie strefy aktywnej w pęcherzyki synaptyczne prawdopodobnie

nie decyduje o habituacji. Wykonali ważne doświadczenie, z którego wynikało, że depresja synapsy

posiadającej początkowo małą wagę daje taki sam procentowy przebieg osłabienia względem ilości

prób, jak depresja synapsy o dużej wadze początkowej (co nie powinno mieć miejsca, gdyż

uwolnienie w pojedynczej strefie aktywnej synapsy pęcherzyka powoduje refrakcję strefy i opór

2 Strefa aktywna to specjalizowany obszar związany z błoną presynaptyczną, przystosowany do uwalniania

neuroprzekaźnika. Jedną z cech charakterystycznych jest obecność kanałów przepuszczalnych dla wapnia, który za

pomocą dalszych struktur ułatwiają fuzję pęcherzyka z membraną (Zhai 2004).

4

przed uwalnianiem kolejnych pęcherzyków—inna kinetyka powinna pojawić się w synapsie, gdzie

taka refrakcja jest obserwowana, tj. o dużej wadze, a inna w synapsie o małej wadze, bez efektu

refrakcji) (Gover 2002). Kolejne doświadczenie, pomiar stosunku amplitud odpowiedzi dla

parowanych (bliskich sobie) impulsów (Paired Pulse Ratio, PPR—wg wielu doświadczeń mierzący

odwrotność prawdopodobieństwa uwolnienia neuroprzekaźnika) pokazywał, że synapsa o dużej

wadze po depresji nie osiąga stanu synapsy o małej wadze w sensie PPR, choć wynikałoby to z

pomiaru potencjałów postsynaptycznych. W konsekwencji autorzy zaproponowali model

wyciszania obszarów synaptycznych, które stają się nieczynne w uwalnianiu pęcherzyków, choć

same pęcherzyki są w nich obecne. Negatywnym mediatorem takiego wyciszania mogłoby być

białko Arf, którego inaktywacja wywołuje osłabienie siły synapsy (Gover 2009).

Sensytyzacja

W odróżnieniu od habituacji, zasadniczo homosynaptycznej, (zachodzącej w obrębie jednej

synapsy) wczesny efekt sensytyzacji (uwrażliwienia) jest heterosynaptyczny i wynika z uwolnienia

serotoniny z interneuronu pośredniczącego między neuronem czuciowym ogona, a neuronem

czuciowym syfonu (rys. 2). Sygnalizacja ta została potwierdzona w doświadczeniach in vitro, gdzie

bodźce drażniące ogon zastąpiono stymulacją serotoniną (Hawkins 2006, Kandel 2000).

Jednokrotne pobudzenie serotoniną powoduje krótkotrwałą sensytyzację, natomiast pięciokrotne—

sensytyzację długotrwałą (Lee 2008).

Rysunek 2: Schemat badanego układu nerwowego Aplysii

(na postawie Purves, 2004).

5

W sensytyzacji krótkotrwałej serotonina za pośrednictwem białka G3 stymuluje produkcję cAMP,

aktywującego kinazę PKA4 (Protein Kinase A) (rys. 3), która fosforyluje kanały potasowe typu S,

zmniejszając ich prawdopodobieństwo otwarcia i przedłużając depolaryzację (Lee 2008, Hawkins

2006, Kandel 2000). Przedłużona depolaryzacja umożliwia napływ większej ilości jonów wapnia

do komórki, co ułatwia fuzję pęcherzyków synaptycznych z membraną (np. poprzez aktywację

synaptotagminy, wiążącej pęcherzyk z membraną) (Purves 2004).

Dłuższa czynność interneuronu, aktywuje kinazę PKC (Protein Kinase C) (rys. 12) , która

podobnie jak PKA zwiększa napływ wapnia do komórki, a ponadto zdejmuje z synapsy depresję

(Hawkins 2006). Ten drugi efekt zachodzi niezależnie od regulacji napływu wapnia i opiera się na

uruchomieniu nieczynnych pęcherzyków synaptycznych. Indukcja szlaku zależnego od PKC

powoduje, że aktywność PKA przestaje mieć krytyczne znaczenie i sensytyzacja pojawia się nawet

w obecności jej inhibitorów (Hawkins 2006). Ponadto, pojawia się zależność od postsynaptycznego

wapnia, gdyż sensytyzację można pomniejszyć jego postsynaptyczną chelatacją (Hawkins 2006).

Uwalnianie wapnia w motoneuronie zachodzi przy udziale wewnętrznych cystern IP3 oraz

rianodynowych i skutkuje osadzeniem nowych receptorów glutaminianu AMPA5 w membranie

(Glanzman 2006).

Kilkukrotna stymulacja serotoniną (zazwyczaj 5 pulsów) (Kandel 2000, Lee 2008)

3 Białka G są specjalnymi wewnątrzkomórkowymi sygnalizatorami, kowalencyjnie związanymi z lipidami błony

komórkowej. Wyróżnia się wśród nich dwie rodziny: białka trimeryczne, z podjednostkami αβγ oraz białka

monomeryczne. Z receptorami membranowymi sprzęgają się raczej białka trimeryczne. Pod wpływem agonisty

GTP wypiera GDP z podjednostki Gα, i Gα oddysocjowuje od Gβγ. Obie podjednostki pozostają przy tym

zakotwiczone w membranie, a Gα może aktywować białko efektorowe, np. cyklazę adenylową. W tym okresie GTP

hydrolizowany jest do GDP, białko efektorowe dezaktywuje i w krótkim czasie białko G tworzy powrotnie

kompleks Gαβγ .Różnorodność wariantów podjednostek trimerycznych białek G umożliwia specyficzną sygnalizację. Drugą klasę białek G stanowią białka monomeryczne, np. Ras, które przyłączają się do aktywnego receptora dopiero

z pomocą białka adaptorowego. Podobnie jak w przypadku białek trimerycznych, aktywacja polega na zamianie

związanego GDP na GTP i oddysocjowaniu od receptora i aktywacji efektora. Odłączenie GTP wyłącza efektor

(Hames 2010).

4 Kinazy to enzymy przyłączające grupy fosforanowe do białek. PKA jest szczególnym rodzajem takiego enzymu,

aktywowanym cAMP

5 Receptory aktywowane kwasem α-amino-3-hydroksy-5-metylo-4-izoksazolopropionowym, które są podstawowymi

receptorami glutaminianu w synapsach pobudzajacych (Purves 2002, Dingledine 1999). Nazwa receptora pochodzi

od zastępczego agonisty selektywnie aktywującego ten rodzaj receptora. Receptor składa się z czterech

podjednostek GluR (warianty GluR1-4, zazwyczaj występują asocjacje GluR1/GluR2 lub GluR2/GluR3) (Shepard

2007). Obecność GluR2 w strukturze AMPA powoduje, że jest ona nieprzepuszczala dla jonów wapnia (Squire

2008).

6

przedłuża okres zwiększonej koncentracji cAMP i uruchamia czynniki transkrypcyjne (Kandel

2000). Umożliwiają onę ekspresję genów, które utrwalają zmiany w rozmiarach stref aktywnych

synapsy (Bailey 1989) oraz stymulują wytwarzanie nowych żylakowatości synaptycznych

(varicosities) (Bailey 1989, Hawkins 2006).

Regulacja ekspresji genów rozpoczyna się zależną od cAMP kinazą PKA, która rekrutuje

kinazę mitogenową (MAPK, Mitogen Activated Protein Kinase) i przenika wraz z nią do jądra (Lee

2008). Z uwagi na znaczne odległości między synapsą i jądrem komórkowym, translokacja

wymaga prawdopodobnie działania transporterów importynowych (Lee 2008, Thompson 2005). W

jądrze kinazy oddziałują z czynnikami transkrypcyjnymi CREB (cAmp Response Element Binding

Protein): PKA aktywuje nadrzędny czynnik transkrypcyjny CREB-1 (poprzez fosforylację jego

domeny KID, Kinase Inducible Domain), natomiast MAPK unieczynnia jego represor—CREB-2

(Kandel 2000, Lee 2008)—oraz fosforyluje niezbędne do prawidłowego działania CREB-1 białko

CBP (CREB Binding Protein) (Sharma 2004). CBP ułatwia dostęp do struktury DNA dzięki

acetylacji histonów i bez niego transkrypcja inicjowana CREB jest mało efektywna (Alberini 2009).

Ponadto poprzez helikazę RNA CBP pośrednio stymuluje polimerazę RNA typu II i może

odwracalnie modyfikować lokalną strukturę chromatyny (Nakajima 1997).

Rysunek 3: Aktywacja PKA: serotonina wiążąc się z receptorem uwalnia

białko G, stymulujące cyklazę adenylową, która produkuje cAMP,

aktywujące PKA i odsłaniające jej centra katalityczne K.

7

CREB należy do rodziny czynników bZIP (Lonze 2002, Alberini 2009, Borlikova 2009),

charakteryzującej się obecnością suwaka leucynowego, umożliwiającego ich dimeryzację. Suwak

(rys. 14) poprzedzony jest obszarem zasadowym, dopasowanym (w przypadku CREB) do

sekwencji CRE w DNA (TGACGTCA) i razem z nim stanowi domenę bZIP6. Po podłączeniu do

CRE, CREB z pomocą domen Q2, Q1 oddziałuje z ogólnymi czynnikami TFIID, TFIIB7 (Alberini

2009), a za pośrednictwem helikazy RNA zaczepionej w CBP oddziałuje pośrednio z polimerazą

RNA typu II (Nakajima 1997) i rozpoczyna transkrypcję (rys. 4).

Kinaza MAPK równolegle z czynnością w jądrze fosforyluje też powierzchniowe białka

adhezyjne apCAM (Aplysia Cell Adhesion Molecule) prowadząc do ich internalizacji (Kandel

2000). W ten sposób rozluźniane są przebiegające równolegle pęki aksonów (Washbourne 2004) i

możliwy staje się wzrost nowych żylakowatości (konieczna jest jeszcze jądrowa sygnalizacja,

ograniczająca produkcję nowych apCAM—Squirre 2008).

Transkrypcja w pierwszej fali generuje hydrolazę ubikwityny, która usuwa z PKA sekwencję

regulatorową, utrwalając jej czynność katalityczną (Kandel 2000). Generowane są również czynniki

6 Skrót pochodzi od angielskich określeń obszaru zasadowego (Basal region) i suwaka leucynowego (leucine ZIPper).

7 Ogólne czynniki transkrypcyjne umożliwiają odpowiednie zamocowanie polimerazy RNA na nici DNA. Pierwszy

przyłącza się TFIID, który zawiera domenę TBP (TATA box binding protein). Jego połączenie stabilizuje następnie

TFIIA, po czym przyłącza się TFIIB, który umożliwia przyłączenie polimerazy RNA (uprzednio związanej z

czynnikiem TFIIF). Ostatnie przyłączają się TFIIE oraz TFIIH inicjujące transkrypcję. Ten ostatni jest helikazą i rozplata DNA, a fosforylując polimerazę RNA umożliwia jej oddysocjowanie od kompleksu inicjacyjnego i

rozpoczęcie transkrypcji (Hames 2010).

Rysunek 4: Schemat aktywacji transkrypcji przez CREB na podstawie (West

2001). RHA oznacza helikazę RNA typu A i wiąże pośrednio CBP z polimerazą

RNA typu II. W kompleksie kasety TATA zaznaczone są tylko domeny istotne dla

wyjaśnienia roli CREB.

8

transkrypcyjne dla kolejnej fali transkrypcji. Są to białka C/EBP (czynniki transkrypcyjne

oddziałujące z sekwencjami wzmacniającymi CCAAT—CCAAT Enhancer Binding Protein),

odpowiadające m.in. za ekspresję translacyjnych czynników elongacyjnych (np. EF1α), docelowo

umożliwiających budowę nowych połączeń synaptycznych (Kandel 2000).

Długotrwała habituacja

Obecne badania długotrwałej habituacji pokazują (Esdin 2010, Glanzman 2009), że

zjawisko to, podobnie jak długotrwała sensytyzacja, jest zależne od transkrypcji i syntezy białek, a

oprócz zmian presynaptycznych wymaga aktywacji receptorów glutaminianergicznych NMDA8 i

AMPA, oraz fosfataz w motoneuronie (Glanzman 2006). Takie zdarzenia mogą prowadzić do

długotrwałego osłabienia synaptycznego motoneuronu, podobnego jak w hipokampie (zob. paragraf

o LTD w hipokampie). Osłabienie synaptyczne motoneuronu w jakiś sposób przenosi się następnie

na neuron presynaptyczny, gdyż obserwacje pokazują zmiany w ilości kontaktów i pęcherzyków

synaptycznych w toku LTH (Kandel 2000, Glanzman 2009). Obecnie niestety nie jest znany

sygnalizator takiego przejścia (Glanzman 2009).

8 Aktywowanych kwasem N-metylo-D-asparaginowym.

9

LTP w hipokampie

Hipokamp od kilkudziesięciu lat uważany jest za siedlisko pamięci. Już w 1957 Milner

odkrył, że chirurgiczne usunięcie płatów skroniowych skutkuje pojawieniem się amnezji (Milner

1957). Późniejsze badania dokładnie określiły rolę hipokampa jako struktury, odpowiadającej za

pamięć epizodyczną. Istnienie takiej pamięci o ograniczonej trwałości jest konieczne do

„buforowania” nadchodzących informacji i umożliwia ich staranne (powolne) zakodowanie w korze

mózgowej bez interferencji z poprzednimi wspomnieniami (Gluck 1997). Modele funkcjonowania

hipokampa opierają się na asocjacyjnej, rekurencyjnej sieci neuronowej odpowiadającej układowi

komórek piramidowych CA3 (rys. 7). Komórki CA3 przyjmują informację wejściową z włókien

kiciastych, a ich wyjścia w 4% wykazują wymaganą dla sieci asocjacyjnej rekurencję (tzn. kierują

się z powrotem do komórek CA3) (Gluck 1997).

Badania plastyczności synaps w neuronach ssaków wiążą się nieodzownie z

eksperymentami Tima Blissa i Terje Lomo, którzy jako pierwsi zaobserwowali efekt długotrwałego

wzmocnienia synaptycznego u ssaka (królika) (Bliss 1973). Pomiarów dokonano w hipokampie

żywego zwierzęcia, podłączając mikroelektrodę stymulującą do włókien kory węchowej,

pobudzających komórki ziarniste w zakręcie zębatym, gdzie umieszczono elektrodę pomiarową.

Eksperyment polegał na stymulacji włókien bodźcami o częstotliwości 15Hz przez 15 sekund. W

przykładowym protokole 4 stymulacji rozdzielonych około godzinnymi odstępami, autorzy

uzyskali wzmocnienie wyładowań grupowych9 na poziomie 300% stanu wyjściowego przy

równoczesnym spadku latencji wyładowania z 4 do 3ms (rys. 8, 9). Istotnie wzrosła szybkość

narastania zbocza impulsu, a całe zjawisko wzmocnienia utrzymywało się przez kolejnych kilka

godzin. Z dzisiejszej perspektywy wiemy, że efekty te należy przypisać usprawnieniu

funkcjonowania glutaminergicznych kanałów jonowych neuronu; łatwiejsze ich otwieranie

zwiększa liczbę wyładowań grupowych, a ułatwienie przepływu jonów zwiększa szybkość

9 W tej konfiguracji elektroda pomiarowa zbiera zewnątrzkomórkowo potencjały z sąsiadujących neuronów:

rejestrowana amplituda jest tym większa im więcej aktywuje się neuronów.

10

narastania impulsu (Dingledine 1999).

W kolejnych latach trudności związane z podłączaniem elektrod do żywego królika skłoniły

badaczy ku doświadczeniom na skrawkach mózgowych z hipokampa. Najdogodniejszym obszarem

badań stały się synapsy kolaterali (bocznic) Schaffera (wybiegających z komórek CA3) z

komórkami piramidowymi CA1 (Purves 2004, Byrne 2009). Synapsy te standardowo pobudzano do

wzmocnienia synaptycznego kilkoma bodźcami tężcowymi (tetanic stimulation) na kolateralach o

częstości 100Hz i czasie trwania 1s (Byrne 2009) lecz szybko zorientowano się, że taka stymulacja

ma niewiele wspólnego z rzeczywistymi sygnałami w mózgu i opracowano bardziej fizjologiczne

metody indukcji LTP. Należą do nich stymulacja o częstotliwości fal teta, TFS—Theta Frequency

Stimulation—gdzie przez 30s podaje się bodziec o częstości 5Hz oraz TBS—Theta Burst

Stimulation—w której wykorzystuje się pobudzanie seriami 4 pulsów częstości 100Hz z obwiednią

5Hz (Byrne 2009, Bermudez-Rattoni 2007, Lynch 2004). Podobne sygnały można zaobserwować w

żywym hipokampie lecz wciąż trzeba pamiętać o tym, że w skrawkach warunki temperaturowe i

środowiskowe (np. obecność modulujących związków chemicznych) są inne niż w żywym

Rysunek 6: Schemat sieci neuronalnej

hipokampa. Włókna wejściowe kory węchowej

stymulują komórki ziarniste zakrętu zębatego,

które poprzez włókna kiciaste pobudzają

komórki piramidowe CA3. Komórki CA3 z kolei

pobudzają komórki CA1, a także rekurencyjnie

siebie same.

Rysunek 7: Schemat neuronalnej sieci

asocjacyjnej hipokampa

11

zwierzęciu, i wnioski z obydwu rodzajów eksperymentów nie muszą się pokrywać10 (Byrne 2009).

Molekularne zasady indukcji LTP

Długotrwałe wzmocnienie synaptyczne w komórkach piramidowych CA1 hipokampa

wywoływane jest skoordynowanym działaniem receptorów AMPA, biorących udział w ich

depolaryzacji oraz działaniem receptorów NMDA, wykrywających Hebbowską koincydencję

między aktywnością synapsy, a globalną depolaryzacją neuronu. Aktywność synaptyczna pobudza

kanały jonowe receptorów AMPA do przewodzenia, umożliwiając podniesienie potencjału neuronu

poprzez wprowadzenie do jego wnętrza jonów sodu. Pojedynczy receptor AMPA zmienia potencjał

membrany w zakresie ułamków mV co powoduje, że do osiągnięcia pełnej depolaryzacji konieczna

jest zgodna współpraca wielu receptorów oraz odpowiednio silna stymulacja synaptyczna. Gdy

membrana komórki osiągnie odpowiedni potencjał, stymulacja glutaminianergiczna może włączyć

kanały receptorów NMDA11

. Kanały te w stanie spoczynku blokowane są jonami magnezu12

, lecz

10 Już sam wpływ temperatury ciała, wyższej od temperatury laboratorium może znacznie zmieniać szybkość

zachodzenia zmian plastycznych (Byrne 2009).

11 Aby zrozumieć zgodność tego mechanizmu włączania kanału receptora NMDA z regułą Hebba należy pamiętać, że

depolaryzacja komórki może być dyktowana czynnością receptorów AMPA należących niekoniecznie do tej samej

synapsy co NMDA. Dlatego depolaryzacja koreluje z aktywnością wyjściową neuronu i odzwierciedla sumaryczny

wkład aktywności na wszystkich synapsach. Jeśli synapsa NMDA o małej wadze koreluje z takim sygnałem to jej

waga stopniowo będzie powiększana.

Rysunek 8: Ilustracja przebiegu LTP (na

podstawie Bliss, 1973): widoczne ułatwienie

przewodnictwa neuronalnego (ilości neuronów

uruchomianych stymulacją włókna wejściowego).

Rysunek 9: Zmiany przebiegu

impulsu po LTP (na podstawie Bliss,

1973). Widoczne zwiększenie

nachylenia zbocza po LTP (linia

ciągła), oznaczające zwiększenie

przewodności jonowej błony

postsynaptycznej.

12

w trakcie depolaryzacji zgromadzony w komórce ładunek dodatni wypycha magnez na zewnątrz i

kanały w obecności glutaminianu otwierają się dla dla jonów wapnia, pełniących kluczową rolę w

aktywacji przemian związanych z LTP (Dingledine 1999, Purves 2004).

Przebieg LTP może być dodatkowo uzupełniany czynnością receptorów metabotropowych mGluR

(Lynch 2004), które pod wpływem glutaminianu aktywują fosfolipazę PLC, odgrywającą istotną

rolę w regulacji działania kinazy białkowej typu C (PKC, Protein Kinase C). Ten szlak

sygnalizacyjny nie zawsze jest wymagany w indukcji LTP, ma natomiast znaczenie w długotrwałym

wzmocnieniu synaptycznym receptorów NMDA (zob. też niżej role kinaz PKC i CAMKII) (Lynch

2004).

E-LTP

W początkowym okresie wzmocnienia (faza E-LTP, Early LTP), napływ wapnia do komórki

aktywuje kinazy odpowiedzialne za potranslacyjne modyfikacje białek biorących udział w

transmisji synaptycznej. Aktywacji podlegają przede wszystkim kinaza zależna od wapnia i

kalmoduliny CAMKII oraz kinaza PKC, choć ważne role odgrywane są też przez PKA i kinazy

tyrozynowe (Byrne 2009). CAMKII stanowi ok.1-2% całkowitej ilości białka w neuronie i jest

12 Średnica uwodnionego jonu to 0.64nm, średnica kanału—0.6nm (Dingledine 1999).

Rysunek 10: Schemat indukcji LTP. A. aktywność receptorów AMPA prowadzi do

depolaryzacji komórki, B. dodatni ładunek zgromadzony w komórce wypycha blokujący jon

magnezu receptora NMDA, C. kanał NMDA wprowadza do komórki wapń i D. wapń

indukuje kaskady przemian plastycznych.

13

szczególnie obfita w zagęszczeniu postsynaptycznym (PSD, Post-Synaptic Density), co czyni z niej

idealny cel dla napływających jonów wapnia (Fink 2002, Lynch 2004). Kinaza występuje w postaci

holoenzymów, zawierających 10-12 jednostek enzymu połączonych częścią asocjacyjną i

ułożonych w dwa pierścienie (Means 2000). Jej aktywacja zależy od kalmoduliny (CaM), która

wiążąc cztery jony wapnia, odsłania hydrofobowe miejsca aktywne (McCue 2010), umożliwiające

wyprowadzenie kinazy ze stanu autoinhibicji (rys. 11). Odsłonięta domena autoinhibitora może być

fosforylowana sąsiednimi kinazami holoenzymu (na thr-286), a gdy tak się stanie, powinowactwo

kinazy do CaM znacznie wzrasta i kinaza niechętnie się go pozbywa. Ponadto, nawet po utracie

CaM bardzo utrudniony staje się powrót kinazy do stanu nieaktywnego. CAMKII może więc

zapamiętywać przejściowe sygnały wapniowe i stanowi rodzaj ,,pamięci molekularnej'' w indukcji

LTP (Means 2000, Berridge 2008).

PKC aktywowana jest inaczej i oddziałuje przy tym z membraną. Kinaza zawiera trzy

ważne domeny: C1, wiążącą diacyloglicerol, C2, wiążącą wapń oraz domenę C4 z centrum

katalitycznym (rys. 12). Centrum katalityczne w stanie nieaktywnym jest blokowane

pseudosubstratem, lecz związanie wapnia w domenie C2 umożliwia kinazie przyłączenie do błony

postsynaptycznej, gdzie może związać domenę C1 z diacyloglicerolem (DAG). Związanie z DAG

wymusza zmianę konformacyjną, która usuwa pseudosubstrat z miejsca katalitycznego PKC i

aktywuje kinazę (Goedhart 2009, Berridge 2008). Rola DAG w aktywacji PKC umożliwia

wskazanie szlaku sygnalizacji dla receptorów mGluR, które są sprzężone z fosfolipazą typu C

(PLC, Phospholipase C), rozkładającą membranowe fosfolipidy PIP2 (4,5 difosforan

fosfatydyloinozytolu) na dwie cząstki potomne: trifosforan inozytolu IP3 i właśnie diacyloglicerol.

14

Uaktywnione kinazy fosforylują receptory glutaminianu AMPA i NMDA oraz regulują

czynność fosfatazy PP1. Receptory AMPA podlegają fosforylacji na serynie-831 oraz 845 jednostki

GluR1 (Byrne 2009). Seryna-831 regulowana jest czynnością PKC lub (zamiennie) CAMKII i

odpowiada za zwiększanie przewodności kanału jonowego receptora. Seryna ta nie jest dobrze

dopasowana ani do PKC ani do CAMKII i do aktywacji wymaga silnej stymulacji synaptycznej

(Lee 2006, Dingledine 1999, Barria 1997, Byrne 2009). Seryna-845 może być fosforylowana za

Rysunek 11: Schemat aktywacji CAMKII. W obecności jonów wapnia kalmodulina

ulega aktywacji i odsłania hydrofobowe łatki. Następnie wiąże się z CAMKII (w

punkcie C), odwijając jej ramię, które utrzymywało miejsce katalityczne K w stanie

autoinhibicji. Aktywna kinaza może fosforylować sąsiednią aktywną jednostkę

CAMKII i zablokować czynność autoinhibitora A, uniezależniając się od wapnia.

Rysunek 12: Aktywacja PKC: pod wpływem PLC, fosfolipid PIP2 rozpada się na IP3 oraz DAG.

IP3 służy sygnalizacji do wewnętrznych cystern wapniowych, natomiast DAG bierze czynny udział

w aktywacji PKC. PKC normalnie jest w stanie nieaktywnym. Po związaniu wapnia w jednostkę C2,

może przyłączyć się do membrany, gdzie jednostka C1 może związać się z DAG. Kiedy to się stanie,

pseudosubstrat usuwany jest z katalitycznej jednostki C4 i kinaza staje się aktywna.

15

pośrednictwem PKA (kinaza białkowa zależna od cyklazy adenylowej) i odpowiada za wydłużenie

czasu otwarcia kanału receptora AMPA oraz ułatwienie w dostarczaniu cytoplazmatycznych

receptorów AMPA do membrany (Lee 2006, Oh 2006, Dingledine 1999). Aktywność PKA wiąże

się z czynnością receptorów NMDA, które na 10-15 minut po stymulacji podnoszą stężenie cAMP

w dendrycie (Roberson 1996). Receptory NMDA są fosforylowane kinazami tyrozynowymi

(głównie src), zwiększającymi czas otwarcia podlegających im kanałów jonowych oraz PKC, która

zwiększa prawdopodobieństwo otwarcia tych kanałów i zmniejsza ich powinowactwo do jonów

magnezu13

(Dingledine 1999, Lynch 2004). Czynność fosfataz regulowana jest pośrednio za

pomocą inhibitora I-1, aktywowanego czynnością PKA (rys. 13) (Byrne 2008). Aktywny inhibitor

blokuje fosfatazę PP1 (Protein Phosphatase 1), ułatwiając na pół godziny fosforylację kinaz

CAMKII, receptorów AMPA i czynników transkrypcyjnych (Genoux 2002).

L-LTP

Zależne od kinaz E-LTP rozpoczyna się ok 10-20 minut po pojawieniu bodźca i utrzymuje

się przez następne 2 godziny, po czym zaczyna wygasać (Bermudez-Rattoni 2007, Lynch 2004,

Frey 1988). Do dalszego podtrzymania wzmocnienia synaptycznego konieczna jest synteza białek

(do 4 dni, LTP2) i synteza połączona z transkrypcją (do 23 dni, LTP3) (Lynch 2004). Zjawiska te

określane są ogólnie mianem LTP późnej fazy, L-LTP (Late LTP) i generują zmiany utrzymujące się

przez wiele tygodni, a nawet miesięcy (Squire 2008). W tym okresie zachodzi konsolidacja

13 Wyjaśnia to wspomniany wcześniej efekt modulacji LTP receptorów NMDA przez PKC.

Rysunek 13: Współzawodnictwo między PKA i

PP2B w aktywacji I-1, a tym samym w

regulacji czynności fosfatazy PP1.

16

systemowa pamięci i trwałe przepisanie jej z hipokampa do kory mózgowej. Proces ten uwidacznia

się już po tygodniu od indukcji LTP a kończy się po upływie miesiąca w przypadku kontekstowego

warunkowania strachem u szczura14

(Dudai 2004).

Transkrypcja, podobnie jak w przypadku Aplysia, wiąże się z uruchomieniem czynnika

CREB w jądrze, lecz jego aktywacja nie następuje wyłącznie dzięki PKA i MAPK, a dochodzi do

tego zależność od kinaz kalmodulinowo wapniowych CAMKIV i CAMKII (Smolen 2006, Davies

2004). CAMKIV aktywuje się podobnie do CAMKII (wiązanie CaM, następnie autofosforylacja

wzmagająca aktywność katalityczną), lecz aby uzyskać niezależność od kalmoduliny i wapnia,

kinaza ta musi zostać fosforylowana (na thr-177) pomocniczą kinazą aktywowaną obecnością

kalmoduliny/wapnia—CAMKK (CAMK Kinase) (Davies 2004, Means 2000). MAPK (kinaza

mitogenowa, podtypy ERK1 i ERK2; External Responese Kinase) aktywuje się wieloetapowo:

wapń i fosfataza SHP2, aktywują białko Ras (Pagani 2009, Yamamoto 1999), aktywujące kinazę

Raf, aktywującą kinazę MEK (MAP-ERK Kinase), która aktywuje końcowe kinazy ERK1 i

ERK215

(Extracellular Regulated Kinase) (Bronchud 2008, Molina 2006).

Po przejściu do jądra CAMKIV fosforyluje CREB (na serynie 133 domeny KID16

) i CBP,

umożliwiając im utworzenie kompleksu. Kompleksy CREB-CBP inicjują transkrypcję, lecz do

ukończenia procesu wymagana jest jeszcze obecność kinazy MAPK, która ze względu na powolną

aktywację, pojawia się w jądrze (z pomocą PKA) później niż CAMKIV i prawdopodobnie

przedłuża fosforylację CREB w końcowych fazach transkrypcji (Davies 2004). Produkty

transkrypcji rozchodzą się następnie po całej komórce, wywołując w aktywnych synapsach zmiany

plastyczne. Selektywność wobec synaps aktywnych (a nie wszystkich możliwych) wyjaśnia

hipoteza znakowania synaptycznego (Lonze 2002, Smolen 2006), wedle której w tych synapsach po

14 Jakość przepisania pamięci z hipokampa do kory mierzona była w odpowiedzi na uszkodzenie hipokampa.

15 Co ciekawe, początkowy etap indukcji MAPK w LTP jest czuły na zakłócanie kolejnymi cyklami uczenia (u muszki

owocowej w parowaniu zapachu z podrażnieniem elektrycznym). Kolejna prezentacja bodźca powoduje

wyzerowanie poziomu MAPK i rozpoczęcie procesu narastania jej koncentracji od nowa. W ten sposób Pagani

(Pagani 2009) dotarł do jednej z molekularnych przyczyn efektu powtórki.

16 CAMKII nie nadaje się do tego, gdyż równocześnie fosforyluje hamującą serynę 142

17

pobudzeniu pojawia się znacznik zezwalający na dokonywanie w nich zmian strukturalnych.

Takiego znacznika nie ma w synapsach nieaktywnych. Badania (cytowane za Smolen 2006)

wskazały przynajmniej trzy kinazy generujące znaczniki: są to CAMKII, MAPK i PKA17

. W ten

sposób odnajdujemy miejsce dla CAMKII w L-LTP.

Długotrwałe osłabienie synaptyczne w hipokampie: LTD zależne od NMDA

Oprócz wzmocnienia synaptycznego, w hipokampie możliwe jest również długotrwałe

osłabienie synaptyczne (Long Term Depression, LTD) (Dudek 1992, Byrne. 2009, Purves 2004).

Wywołać je można za pomocą dwóch ścieżek: lepiej poznanej, zależnej od receptorów NMDA oraz

słabiej poznanej, zależnej od metabotropowych receptorów mGluR (Byrne 2009).

LTD zależne od aktywności NMDA wywołuje się przedłużoną stymulacją

niskoczęstotliwościową, np. w przypadku synaps kolaterali Schaffera z neuronami CA1 stosowana

jest stymulacja 1Hz przez 10-15 minut (Dudek 1992, Purves 2004). Taka powolna stymulacja nie

wywołuje depolaryzacji błony postsynaptycznej (utrudnione jest sumowanie czasowe sygnałów), co

odzwierciedla anty-Hebbowskie warunki uczenia (Lisman 1989, Bryne 2009). Podniesienie

częstotliwości ponad 10Hz przy tej samej ilości impulsów wywołuje LTP (Dudek 1992, Byrne

2009). Ta dualność w kierunku przemian plastycznych przewidziana była już w 1982 roku przez

teorię BCM (sformułowaną przez Bienenstocka, Coopera i Munro), rozwiniętą w genialny sposób

przez Lismana. Według niej zmiany plastyczne w neuronie skutkują wzmocnieniem siły synapsy

tylko jeśli jej pobudzenie postsynaptyczne (stężenie jonów wapnia) przekracza pewną wartość

progową. Jeśli pobudzenie jest podprogowe (ale niezerowe), siła synapsy ulega osłabieniu (Lisman

1989).

Doświadczenia pokazały, że stężenie wapnia rzeczywiście wpływa na kierunek zmian

plastycznych, a wapń pojawia się w komórce w odpowiedzi na aktywację receptorów NMDA

(Dudek 1992). Wydawało się zatem, że teoria BCM została potwierdzona, a jednak bez

17 CAMKII i MAPK fosforylują znane substraty, a substrat PKA nie jest obecnie znany (Smolen 2006).

18

dodatkowych modyfikacji nie mogła objaśnić otrzymanych kilka lat później wyników zespołu

Zuckera , w których krótkie impulsy wapnia o niskiej koncentracji (np. 0.7µmoll-1

, przez 10s) z

podobnym prawdopodobieństwem indukowały LTP lub LTD (Yang 1999). Rozwiązanie problemu

wiązało się z uwzględnieniem szybkości sygnalizacji wapniowej. LTP najskuteczniej można

wywołać bodźcami 10µmoll-1

o czasie trwania 3 sekund, natomiast LTD – bodźcami 0.7µmoll-1

,

utrzymującymi się przez 60 sekund (Byrne 2009, Yang 1999). Takie charakterystyki czasowe

stężenia wapnia mogą być w neuronie generowane dzięki obecności dwóch podtypów receptorów

NMDA: szybkich NR1-NR2A oraz wolnych NR1-NR2B (Bliss 2004). NR1-NR2B charakteryzują

się stałą czasową inaktywacji ok. 300ms, natomiast NR1-NR2A—50ms. Z tych dwóch tylko

receptory NR2B nadają się do sumowania wolnych sygnałów, wywołujących LTD (tylko one

„pamiętają” poprzedni impuls gdy nadchodzi następny). Ponieważ tych receptorów jest mniej niż

NR2A, ich aktywacja skutkuje mniejszym napływem wapnia. Z kolei NR2A, choć aktywowane na

krótko, przeważają w ilości nad NR2B i umożliwiają napływ większych ilości wapnia,

promujących rozwój LTP.

Przy niskich stężeniach wapnia w neuronie postsynaptycznym uaktywnia się kalcyneuryna

(fosfataza białkowa PP2B). Mechanizm jej aktywacji podobny jest do CAMKII i również opiera się

na przyłączeniu kalmoduliny związanej z jonami wapnia, lecz w porównaniu do CAMKII

kalcyneuryna ma do kalmoduliny wyższe powinowactwo i łatwiej się aktywuje przy niskich

stężeniach wapnia (Lisman 1989, Malenka,1995). Aktywna kalcyneuryna zdejmuje inhibitor I-1 z

fosfatazy PP1, która defosforyluje seryny-845 jednostek GluR1 receptorów AMPA (normalnie

fosforylowane przez PKA), umożliwiając ich internalizację. Defosforylacji podlegają także seryny-

83118,

lecz zabieg ten nie skutkuje LTD, a jedynie depotencjacją, tj. odwróceniem efektów

poprzednio zaaplikowanego LTP (fosforylującego serynę-831 w celu zwiększenia przewodności

AMPA) (Byrne 2009, Kemp 2001). Przy wysokich stężeniach wapnia sygnalizacja fosfatazami

18 Selektywność fosfataz względem substratów jest znacznie mniejsza niż w przypadku kinaz

19

przestaje funkcjonować—być może dlatego, że występuje wówczas silna hiperfosforylacja

CAMKII, wysycająca fosfatazę PP1 i redukująca jej aktywność (Miller 2005). Przeważa wtedy

mechanizm LTP.

LTD zależne od mGluR

Hipokampowe LTD zależne od receptorów metabotropowych mGluR jest zjawiskiem

zbadanym stosunkowo niedawno. Znane było wcześniej w komórkach Purkinjego w móżdżku, ale

jego postać w hipokampie znacznie różni się od LTD w komórkach Purkinjego. Oprócz różnic w

transdukcji sygnałów postsynaptycznych mechanizm ten opiera się na odmiennych elementach

sygnalizacji presynaptycznej.

Receptory mGluR można podzielić na 3 grupy. Receptory grupy I (mGluR1, mGluR5),

receptory grupy II (mGluR2, mGluR3) i receptory grupy III (mGluR4,6,7,8 wśród których

znaczenie dla LTD ma jedynie mGluR7). Receptory grup II i III zlokalizowane są w błonach

presynaptycznych (grupa II również postsynaptycznie) i reagują na emisję glutaminianu hamując

(poprzez białko Gi/o) czynność cyklazy adenylowej (a co za tym idzie PKA) oraz aktywność

kanałów wapniowych (Gladding 2009, Bellone 2008, zob. też Anjaneyulu 2008, Siegel 2006).

Zmiany te prowadzą w konsekwencji do zmniejszenia prawdopodobieństwa uwolnienia

neuroprzekaźnika z błony presynaptycznej. W tym procesie czułość receptorów grupy II na

glutaminian jest wyższa niż receptorów grupy III.

Receptory grupy I znajdują się w błonie postsynaptycznej. Zlokalizowane są na obrzeżach

zagęszczenia poststynaptycznego (Bellone 2008) i wymagają aktywacji przez rozlanie

neuroprzekaźnika poza szczelinę synaptyczną. Można to osiągnąć stymulacją

wolnoczęstotliwościową sparowanych impulsów19

(Glading 2009, Bellone 2008) albo cyklami

wysokoczęstotliwościowej stymulacji w zakresie nawet do 300Hz. Ten rodzaj LTD można również

wywołać poprzez parowanie stymulacji niskoczęstotliwościowej z depolaryzacją neuronu

19 900 sparowanych pulsów podanych częstotliwością 1Hz z odstępem między pulsami równym 50ms (Gladding

2009).

20

postsynaptycznego (jak w komórkach Purkinjego w móżdżku) (Bellone 2008).

Z badań nad myszami wynika, że dla indukcji LTD w komórkach CA1 konieczna jest

obecność mGluR5 i w małym stopniu mGluR120

. Doświadczalne unieczynnienie mGluR5

uniemożliwia rozwój LTD (Bellone 2008, Gladding 2009, Gereau 2008) natomiast blokada

mGluR1 osłabia wczesną fazę LTD (Gladding 2009) i upośledza wsteczną sygnalizację do neuronu

presynaptycznego za pomocą endokanabinoidów (Gereau 2008). Sygnalizacja receptorów grupy I

przebiega za pomocą białek Gq w kierunku PLC, która stymuluje produkcję IP3 i DAG. IP3 uwalnia

wapń z wewnętrznych cystern, a DAG aktywuje PKC (Bellone 2008). Zaskakujące jest jednak to,

że LTD zależne od mGluR wywoływane DPHG (dihydroksyfenyloglicyna, agonista receptorów

mGluR typu I) nie zależy od aktywności PKC (nic nie zmieniają inhibitory PKC) ani od

zwiększonej koncentracji wapnia (wprowadzenie chelatorów wapnia nie wpływa na rozwój LTD)

(Gladding 2009, Gereau 2008). Jednak w warunkach fizjologicznej transmisji synaptycznej

zarówno obecność wapnia jak i aktywność PKC są dla indukcji LTD niezbędne (Bellone 2008,

Gladding 2009). PKC może wówczas osłabiać synapsę poprzez stymulację kinaz mitogenowych,

aktywację fosfolipazy D lub A2 albo modulację czynności kanału kationowego (Gladding 2009).

PKC może również fosforylować serynę 901 mGluR5, utrudniając za pomocą CaM jego ekspresję

w membranie (Gladding 2009).

Niezależnie od PKC i wapnia, ścieżki sygnalizacyjne LTD mogą wykorzystywać białka

łącznikowe, takie jak Homer (zob. tabela w paragrafie o IEG). Homer może wiązać mGluR z kinazą

tyrozynową receptora naskórkowego czynnika wzrostu (EGF, epidermal growth factor), która

uaktywnia kinazę tyrozynową src, biorącą udział w aktywacji kinaz mitogenowych ERK (Gladding

2009). Homer może też łączyć mGluR z GTP-azą PIKE21,

aktywującą kinazę PI3K22,

inicjującą

20 Dla porównania, w komórkach Purkinjego w móżdżku jest odwrotnie. Decydującą rolę odgrywa mGluR1 (zob.

paragraf o LTD w móżdżku).

21 PI3K Enhancer, aktywator kinazy PI3K

22 Kinaza fosfatydyloinozytolu.

21

translację białek poprzez fosforylację modulatorów 4E-BP23

(Ronesi 2008, Gladding 2009).

Poprzez kaskadę Rap, mGluR może również aktywować kinazę p38MAPK (Gladding 2009). Inną,

bardziej lokalną możliwością sygnalizacji może być regulacja wiązania mGluR1/5 z tratwami

lipidowymi za pomocą kaweoliny, umożliwiająca internalizację jednostek mGluR1/5 (Gladding

2009).

Czynność kinaz z rodziny MAPK i PI3K jest dla rozwoju LTD niezbędna i warunkuje

endocytozę receptorów AMPA. Głównym ich zadaniem jest regulacja transkrypcji i translacji

białek, co pokazywano na przykładzie myszy z nieobecnym białkiem FMRP (funkcjonującym jako

represor translacji), u której LTD uległo wzmocnieniu (przy okazji stało się niezależne od syntezy

białek—Gereau 2008). Translacji podlegają m.in. białko Arc uczestniczące w endocytozie

klatrynowej, fosfataza tyrozynowa STEP24

, która defosforyluje jednostkę GluR2 i promuje jej

internalizację poprzez dyfuzję w grubości membrany (Gladding 2009), białko MAP1B (microtubule

associated protein 1B—białko 1B związane z mikrotubulami) wiążące się z GRIP25

w celu

oderwania go od receptora AMPA, Homer1a (białko tworzące niefunkcjonalny skielet Homer dla

receptora mGluR), białka wspomagające translację (białko rybosomowe S6, czynnik elongacyjny

EF1A) oraz jednostki GluR2 receptora AMPA (Bellone 2008). Szlaki MAPK mogą ponadto

aktywować kinazę białka rybosomowego S626

oraz—już poza tematyką translacji—m-kalpainy27

skracające C-końce iGluR28

, a być może proteolizujące receptory AMPA (Gladding 2009).

LTD generowane przez receptory grupy I może być też wzmagane aktywnością receptorów

grupy II, które istnieją zarówno w błonie presynaptycznej jak i postsynaptycznej. Ich aktywacja ze

względu na własności obniżające aktywność PKA może wpływać na defosforylację receptorów

AMPA (Bellone 2008). Ponadto, depresja synaptyczna zależy od wysyłania z neuronu

23 Białko 4E-BP jest białkiem wiążącym się z eukariotycznym inicjatorem translacji eIF4E. Po związaniu, czynność

eIF4E zostaje zablokowana co blokuje translację. Fosforylacja 4E-BP umożliwia jego oddysocjowanie od eIF4E

(Sonenberg 1998).

24 Striatal enriched tyrosine phosphatase.

25 Glutamate Receptor Interacting Protein – białko oddziałujące z receptorem glutaminianu

26 Może tego dokonywać również PI3K (Gladding, 2009)

27 W przebiegu LTD jest również miejsce dla proteaz serynowych: subtylizyny i kadepryny (Gladding, 2009).

28 iGluR—jonotropowy GluR

22

postsynaptycznego (aktywowanego receptorami typu I) do presynaptycznego endokanabinoidów,

prowadzących do depresji presynaptycznej. Zazwyczaj czas takiego osłabienia synapsy jest

mierzony ułamkami sekundy (Bellone 2008, Kano 2008).

Aktywacja i modulacja czynności CREB

Fosforylowany czynnik CREB po połączeniu z CBP przyłącza się do sekwencji CRE w

DNA (TGACGTCA—Lonze 2002) i poprzez interakcję domeny Q2 z TFIID/B oraz CBP z RHA

umożliwia aktywację polimerazy RNA typu II (Alberini 2009, Nakajima 1997, zob. też rys. 4).

Ponieważ jednostki CREB funkcjonują jako dimery, połączone suwakiem leucynowym, (rys. 14)

ich aktywność może być modulowana pochodzącymi z tej rodziny29

czynnikami CREM (cAMP

Response Element Modulator) (Lonze 2002, Kaczmarek 2002).

Struktura genu CREM umożliwia ekspresję czterech podstawowych wariantów tego

czynnika transkrypcyjnego. CREMτ jest aktywatorem transkrypcji, natomiast CREMα, CREMβ i

CREMγ są jej inhibitorami (nie posiadają domen Q odpowiedzialnych za aktywację transkrypcji)

(Silva 1998). Dodatkowym inhibitorem pochodzącym z genu CREM jest ICER (Inducible cAMP

Early Repressor), który różni się od pozostałych swoją ,,indukowalnością'', tzn. ekspresją w

29 CREB/ATF

Rysunek 14: Struktura bZIP: suwak leucynowy odpowiada za dimeryzację jednostek natomiast

część zasadowa odpowiada za wiązanie z DNA

23

odpowiedzi na aktywację CREB. Pozostałe modulatory CREM są ogólnodostępne w komórce.

Ekspresja ICER osiąga maksimum po 2-6 godzinach od momentu indukcji, podobnie jak pozostałe

białka kodowane genami odpowiedzi wczesnej (IEG, Immediate Early Genes). Czas utrzymywania

się podwyższonej konentracji ICER jest dosyć długi, nawet powyżej 24h (Borlikova 2009).

Po pierwszej fazie transkrypcji, w jądrze pojawiają się należące do klasy bZIP czynniki

transkrypcyjne C/EBP (czynniki wiążące się z sekwencją CCAAT, CCAAT Enhancer Binding

Proteins, wspominane już u Aplysii). Rodzina ta zawiera sześciu członków—C/EBPα,β,γ,δ,ε,ζ.

Struktura tych białek na C-końcu zawiera suwak leucynowy, natomiast część N-końcowa różni się

w zależności od izoformy i z reguły zawiera rozmaite domeny aktywujące transkrypcję (Ramji

2002). U ssaków bardzo ważnymi formami wydają się C/EBPβ oraz C/EBPδ, których koncentracja

u szczurów zwiększa się po treningu reakcji unikania kontekstu związanego z podrażnieniem łapki.

Ekspresja pojawia się w 6-9 godzin po treningu i utrzymuje się przynajmniej przez 28 godzin,

opadając do poziomu wyjściowego dopiero po dwóch dobach (Alberini 2009). C/EBPβ jest

niezbędny dla formowania pamięci długoterminowej w hipokampie, a jego blokada nawet w

okresie powyżej jednego dnia od indukcji LTP uniemożliwia formowanie takiego rodzaju pamięci.

C/EBPδ pełni hamującą rolę w kontekstowym warunkowaniu strachu (mutant nie posiadający tego

genu uczy się szybciej) (Alberini 2009). C/EBPζ przez zniekształcenie w domenie bZIP nie może

wiązać się z sekwencją C/EBP w DNA, lecz zachowuje pełną zdolność dimeryzacji z pozostałymi

członkami rodziny, pełniąc rolę inhibitora transkrypcji. W warunkach stresu może on się jednak

przyłączać do alternatywnej sekwencji DNA, otwierając nową ścieżkę transkrypcji (Alberini 2009,

Ramji 2002). C/EBPγ, podobnie jak C/EBPζ jest inhibitorem i nie zawiera domen aktywujących

transkrypcję (Ramji 2002).

C/EBP podlega wielostopniowej regulacji. Do funkcjonowania potrzebuje cAMP, który

warunkuje jego translokację z cytoplazmy do jądra oraz fosforylacji, dokonywanej za pomocą kinaz

MAPK, CAMKII-IV, PKC (Alberini 2009). Możliwa jest również autoregulacja transkrypcji,

24

stwierdzona na przykład dla C/EBPβ (Ramji 2002).

Fos, Jun

Wśród wtórnych czynników transkrypcyjnych obok C/EBP jądro komórkowe uwalnia

również transkrypty z rodzin Fos i Jun, kodujące czynniki c-fos i c-jun. c-jun pojawia się w

odpowiedzi na doświadczenia nowości, boleści i nagrody (zanika przy powtarzalnej prezentacji

bodźca). Według badań, jego obecność jest obojętna dla uczenia przestrzennego i zadań

warunkowania strachu (Alberini 2009). c-fos natomiast podlega ekspresji w uczeniu przestrzennym

motywowanym apetytem, w uczeniu niechęci do smaku i w uczeniu pasywnego unikania. Podobnie

jak c-jun, c-fos aktywuje się najsilniej w pierwszych próbach, a w kolejnych jego koncentracja

systematycznie spada (Alberini 2009).

Białka kodowane w rodzinach Fos i Jun należą do klasy bZIP, mogą więc ze sobą

dimeryzować. Dimery stają się aktywne transkrypcyjnie, tworząc klasę czynników

transkrypcyjnych AP-1, rozpoznających w DNA sekwencję TGAC/GTCA. Zależnie od kombinacji

dimerów, czynniki AP-1 mogą tak aktywować jak i hamować transkrypcję (Kaczmarek 1997).

Zif268

mRNA dla Zif268 pojawia się w zakręcie zębatym 30-60 minut po tężcowej stymulacji

włókien kory węchowej, a jego ekspresja towarzyszy uczeniu asocjacyjnemu, warunkowaniu

strachem, uczeniu przestrzennemu i wydaje się towarzyszyć doświadczeniu nowości. Wywołane

mutacją wyłączenie genu Zif268 upośledza pamięć długoterminową, lecz deficyt ten można

nadrobić intensywnym treningiem co sugeruje istnienie kompensujących szlaków sygnalizacyjnych

(Alberini 2009, Knapska 2004).

Zif268 należy do klasy czynników z palcami cynkowymi (rys. 15), które rozpoznają w DNA

sekwencję GCGC/GGGGCG . Jego transkrypcja może być stymulowana poprzez CREB lub ELK-

1, który należy do grupy czynników aktywowanych surowicą (SRE—Serum Response Element)

(Knapska 2004). Wśród białek, które mogą być regulowane przez Zif268 wymienić można

25

synapsynę, lekkie łańcuchy neurofilamentów, receptory czynnika wzrostu nerwowego p75 i wiele

enzymów—zestawienie można znaleźć w (Knapska 2004). Aktywność transkrypcyjna Zif268 może

być ograniczana w ujemnym sprzężeniu zwrotnym przez transkrypcję inhibitora NAB2 (Knapska

2004).

Zif268 i c-fos uzupełniają się w reagowaniu na zmiany w poziomie stymulacji komórki

(Kaczmarek 1997). c-fos aktywuje się w doświadczeniu nowości, ma niską koncentrację wyjściową

i niewrażliwy jest na zanikanie bodźców tła docierających do komórki, natomiast zif268 ma

wysoką koncentrację wyjściową, która opada, gdy zanikają bodźce tła (np. po usunięciu wibrysów

u szczura, Knapska 2004).

NFκB

NFκB jest czynnikiem transkrypcyjnym powszechnie obecnym w cytoplazmie. Normalnie

jest zablokowany białkiem IκB, uniemożliwiającym lokalizowanie jądra komórkowego, ale po

stymulacji blokujące białko degraduje (przypuszczalnie za pośrednictwem CAMKII) i NfκB może

przedostać się do jądra. W jądrze aktywuje transkrypcję CAMKIIδ, BDNF (Brain Derived

Neutrophic Factor), NCAM (Neural Cell Adhesion Molecule; por. ApCAM w Aplysia), Nos (NO

Synthetase), a także bierze udział w regulacji struktury chromatyny (Alberini 2009).

IEG

IEG, czyli Immediate Early Genes – geny odpowiedzi wczesnej, podlegające

Rysunek 15: Struktura palca cynkowego wg (Krishna 2003). Jon cynku

stabilizuje jedną alfa helisę i dwie beta harmonijki. Obszar alfa-helisy

wnika w szeroką bruzdę DNA.

26

natychmiastowej transkrypcji w odpowiedzi na stymulację komórki. Wśród nich znajdują się

omówione wyżej czynniki transkrypcyjne jak C/EBP, c-fos, c-jun czy zif268, ale również białka

bezpośrednio biorące udział w przebudowie synaps. Białka pojawiające się w związku z LTP

zestawione są w Tabeli 1 (wg Loebrich 2009 z uzupełnieniami).

Białko Rola

SNK (Serum Regulated

Kinase-kinaza regulowana

serum)

Reorganizacja cytoszkieletu F-aktyny w kolcach dendrytycznych,

hamowanie reorganizacji cytoszkieletu przez SPAR, w efekcie—

eliminowanie kontaktów synaptycznych. SPAR, Spine Associated

RapGAP (Rap GTP-ase Activating Protein)—białko inaktywujące

GTP-azę Rap, biorącą udział w zmniejszaniu ilości kolców

synaptycznych (Pak 2001, Spilker 2010)]

RGS2 (regulators of G

protein Signaling –

regulatory sygnalizacji

białkami G)

Wygłuszają sygnalizację białkami G. Hamują aktywację MAPK

zależną od nikotynowych receptorów acetylocholiny (nAChR),

zwiększają presynaptyczne prawdopodbieństwo uwolnienia

pęcherzyka synaptycznego przez osłabienie sygnalizacji zamykania

kanałów wapniowych.

BDNF (Brain Derived

Neurotrophic Factor—

neurotropowy czynnik

pochodzenia mózgowego)

Brak BDNF u mutantów osłabia LTP, czynnik wywołuje

fosforylację receptorów NMDA. Receptory TrkB pod wpływem

BDNF mogą aktywować CAMKIV i MAPK, a w konsekwencji

CREB (zarówno post-, jak i presynaptycznie). (Bermudez-Rattoni

2007)

Narp (Neuronal activity

regulated pentraxin,

pentraksyna regulowana

aktywnością neuronalną)

Zwiększa siłę synapsy poprzez zewnątrzkomórkowe klastrowanie

receptorów AMPA. Klastry są bardziej stabilne w membranie niż pojedyncze receptory ze względu na kompensującą się wzajemnie

ruchliwość podjednostek (Shepherd 2007)

CPG15 (Candidate plasticity

gene 15—gen kandydujący

plastyczności nr 15)

Promuje wzrost dendrytów i aksonów, a także dojrzewanie synaps

przez osadzanie funkcjonalnych receptorów AMPA

Arkadlina (Activity-

regulated cadherin like

protein—regulowane

aktywnością białko podobne

do kadheryny)

Arkadlina należy do rodziny kadheryn (białek odpowiedzialnych za

adhezję międzykomórkową) lecz posiada odcinek

wewnątrzkomórkowy, oddziałujący z maszynerią postsynaptyczną. Po dostarczeniu do membrany arkadlina wiąże się z n-kadheryną i dzięki swemu zakończeniu wewnątrzkomórkowemu umożliwia

internalizację białka. Nie ma jednoznacznego stanowiska odnośnie

wpływu na pamięć: z jednej strony blokowanie arkadliny blokuje

LTP, a z drugiej strony internalizacja promuje wzrost kolców

dendrytycznych. (Yasuda 2007)

Cyklooksygenaza 2 (COX-2) Produkuje cząstki dyfundujące poza membrane neuronu w celu

dalszej sygnalizacji

Arc (activity regulated

cytoskeleton-associated

protein-- białko związane z

cytoszkieletem, regulowane

Jego nieobecność wzmaga wczesną fazę LTP i niszczy późną fazę. We wczesnej fazie arc prowadzi do internalizacji receptorów

AMPA, służąc prawdopodobnie jako adaptor, łączący receptor

AMPA z białkami maszynerii endocytującej (Shepherd 2007). W

27

aktywnością) długiej fazie LTP, arc umożliwia zmiany strukturalne poprzez

polimeryzację F-aktyny (Messaoudi 2007)

Homer-1a Homer-1a należy do rodziny homer białkiek łącznikowych,

zdolnych wiązać receptor IP3 z receptorem mGluR oraz z kanałem

kationowym TRPC1 (Transient receptor potential channel). Ponadto,

łącząc się z białkiem Shank, może związać IP3 lub mGluR z

receptorem NMDA. Bliskość mGluR i IP3 jest konieczna dla

umożliwienia sygnalizacji za pomocą białka G i fosfolipazy,

bliskość IP3 i TRPC1 otwiera TRPC1 pod wływem

wewnątrzkomórkowego wapnia umożliwiając napływ wapnia

zewnątrzkomórkowego. W rodzinie Homer, białko Homer-1a

wyróżnia się brakiem łącznika wiążącego przyłączane jednostki w

jeden kompleks. Dlatego stanowi negatywny element regulujący

aktywność tych kompleksów.

CPG2 (Candidate plasticity

gene 2—Kandydujący gen

plastyczności numer 2)

Reguluje usuwanie receptorów AMPA i NMDA z synapsy. Jest

ogniwem łączącym maszynerię endocytującą z cytoszkieletem

aktynowym.

Móżdżek: obwód komórek Purkinjego

Zmiany plastyczne w móżdżku związane są przede wszystkim ze strukturą obwodów

komórek Purkinjego (rys. 16). Obwody te zlokalizowane są w korze móżdżku. Informacja o

zdarzeniach zewnętrznych jest do nich doprowadzana poprzez włókna kiciaste (mossy fibres) oraz

włókna pnące (climbing fibres) (Bochenek 1981). Włókna kiciaste niosą informacje wejściową z

rdzenia kręgowego i pnia mózgu (nerw przedsionkowy, jądra przedsionkowe, jądra mostu, jądra

nerwu trójdzielnego, jądra tworu siatkowatego). Poprzez bocznice stymulują one głębokie jądra

móżdżku (DCN—deep cerebellar nuclei), będące jego obwodami wyjściowymi (oddziałującymi na

neurony ruchowe kory) (Purves 2004). Aktywność jąder móżdżku podlega plastycznej kontroli

komórek Purkinjego, oddziałujących na nie za pomocą synaps hamujących. Komórki Purkinjego

otrzymują dwa rodzaje informacji wejściowej: pośrednio, poprzez komórki ziarniste odbierają,

niosący informację kontekstową, sygnał z włókien kiciastych, (Purves 2004, Squire 2008), a dzięki

włóknom pnącym odbierają sygnał z jądra dolnego oliwki, niosący informację o niadekwatności

zachowania motorycznego lub synchronizujący reakcję czasową (De Zeeuw 1998, Ito 2001).

Z pojedynczą komórką ziarnistą łączy się ok. 4 włókien kiciastych, natomiast pojedyncze

włókno kiciaste unerwia ok. 30 komórek ziarnistych (Squire 2008). Wybiegający z komórki

28

ziarnistej akson kieruje się ku zewnętrznej warstwie kory móżdżku, tworząc włókno „wstępujące”

(ascending fibre), wytwarzające silne synapsy z komórkami Purkinjego30

. Po osiągnięciu

zewnętrznej warstwy kory móżdżku akson rozdziela się na dwie gałęzie i formuje przebiegające na

odległość 5-10mm włókna równoległe, stymulujące dendryty komórek Purkinjego (Squire 2008)

(dawniej uważano, że zasięg tych aksonów wynosi 1.5mm, Albus 1971).

Dendryty komórek Purkinjego łączą się z włóknami równoległymi na ogromną skalę, u

szczura szacuje się obecność 175000 synaps na jednej komórce Purkinjego (Ito 2001). W celu

utrzymania tych połączeń synaptycznych na rozsądnym poziomie aktywacji włókna równoległe

łączą się z komórkami Golgiego, hamującymi zwrotnie czynność komórek ziarnistych (Albus

1971). Ponadto, włókna równoległe oddają połączenia do komórek koszyczkowych i

gwiaździstych, hamujących komórki Purkinjego (Albus 1971).

Włókna pnące (sterujące kierunkami procesów plastycznych) unerwiają do 10 różnych

komórek Purkinjego (Squire 2008), ale pojedyncza komórka Purkinjego łączy się specyficznie

tylko z jednym takim włóknem (w odróżnieniu do połączeń z włóknami równoległymi). Takie

połączenie składa się z powielonego zespołu synaps (szacowanego nawet na 26000 synaps w

pojedynczej komórce Purkinjego u szczura), umożliwiającego wygenerowanie złożonych sygnałów

iglicowych (complex spikes) (Ito 2001).

Zespoły komórek Purkinjego, do których doprowadzane są włókna pnące z podobnych

obszarów czuciowych łączą się na powierzchni móżdżku w mikroobszary (microzones).

Mikroobszary łączą się w obszary sagitalne (sagital zones), w obrębie których komórki Purkinjego

odbierają informacje z wspólnej domeny jądra oliwki dolnej i wysyłają informację wyjściową do

wspólnych domen jąder móżdżku. Mikroobszary bywają rozproszone po powierzchni kory

móżdżku, gdyż aksony włókien pnących mogą oddawać włókna poboczne. W takim przypadku

mamy do czynienia z mikrokompleksami wieloobszarowymi (multizonal microcomplexes) (Apps

30 Te synapsy mają nieco inną rolę niż normalne synapsy komórek Purkinjego z włóknami równoległymi. Są one

silniejsze niż synapsy włókien równoległych i znajdują się w obszarach nie obejmowanych unerwieniem włókna

pnącego. Przypuszczalnie są one źródłem homosynaptycznego LTD (Ito, 2001).

29

2005, Ekerot 2003).

Gdy włókno pnące i włókna równoległe komórki Purkinjego są aktywowane razem to ich

łączna działalność prowadzi do osłabienia synapsy włókna równoległego i zmniejszenia czynności

hamującej komórki Purkinjego31

(Purves 2004, Ito 2001, Squire 2008). Osłabienie synapsy

zachodzi najefektywniej przy pobudzeniu włókna równoległego w okresie 125-250ms po

aktywności włókna pnącego. W odróżnieniu od indukcji LTP w hipokampie, w móżdżku nie udało

się określić czy kolejność sygnalizacji z włókna pnącego/równoległego ma znaczenie w

skuteczności wywoływania LTD. Trudności wiążą się z niemożnością zastosowania wystarczająco

powolnych bodźców stymulujących aby rozróżnić koincydencję typu „przed” od późnej

koincydencji typu „po” (Ito 2001).

Zależny od włókna pnącego schemat uczenia się móżdżku znany jest pod nazwą modelu

Marra-Albusa. W 1969 David Marr i w 1971 James Albus formułowali model funkcjonalny sieci

neuronowej móżdżku. Marr jako pionier wykonał wielką i niedocenianą obecnie pracę wstępną

31 Interpretując sygnał pnący jako błąd możemy zatem powiedzieć, że komórka Purkinjego odwraca akcję, która do

niego doprowadziła

Rysunek 16: Obwód komórki Purkinjego. Informacja wejściowa przychodzi włóknami kiciastymi, z

których przekodowywana jest na komórki ziarniste i jej włókna równoległe. Aktywność komórki

ziarnistej regulowana jest w sprzężeniu zwrotnym z udziałem komórek Golgiego. Włókna

równoległe biorą udział w stymulacji komórki Purkinjego. Drugim źródłem stymulacji komórki

Purkinjego są włókna pnące, niosące sygnał błędu. Uruchomiona komórka Purkinjego oddziałuje

hamująco na jądra móżdżku (DCN), które pobudzane są włóknami kiciastymi.

30

porządkując dostępne dane biologiczne lecz przyjął błędne założenie, że sygnał z włókna pnącego

wzmacnia siłę synapsy komórki Purkinjego z włóknami równoległymi. Albus ze względów

teoretycznych (efektywność algorytmów uczących opartych na korekcji błędu, stabilność procesu

uczenia) uznał bardziej stosowne przyjęcie depresji tych synaps pod wpływem sygnału błędu z

włókna pnącego (Albus 1989, Strata 2009, Albus 1971) i ten wariant został 10 lat później

potwierdzony doświadczalnie przez Masao Ito (Ito 1982).

W swej pracy Albus wiele uwagi poświęcił roli komórek ziarnistych w obwodach

plastycznych móżdżku. Uznał je za zespół kodujący sygnał z włókien kiciastych na formę

nadmiarową (stukrotny nadmiar włókien w stosunku do przesyłanej informacji), potrzebną do

szybkiego uczenia perceptronu32

. Gdy jednemu włóknu kiciastemu odpowiada 100 włókien

równoległych (przy czym stan każdego włókna równoległego wyliczany jest ze stanu 4 włókien

kiciastych), jest duża szansa na używanie rozłącznych kombinacji włókien równoległych w

sygnalizacji odrębnych stanów czuciowych, opisywanych niekiedy podobnymi kombinacjami na

włóknach kiciastych. Umożliwia to skonstruowanie prostego klasyfikatora, który już po kilku

próbach uczenia działa poprawnie (i nie wymaga korekty wag przy podaniu podobnego lecz

niezwiązanego z sytuacją wzorca; taka korekta z pewnością zepsułaby czułość na wzorzec

prawidłowy w obwodzie nieredundantnym prowadząc do konieczności zastosowania wielu cykli

uczenia) (Albus 1971).

Osłabienie synaptyczne w komórkach Purkinjego może składać się z dwóch faz:

pierwszej—STD (short term depression, depresja krótkoterminowa)—trwającej do 30 minut z

maksimum po piątej minucie i drugiej—właściwego LTD, zależnego od translacji białek (można go

zaburzyć inhibitorami translacji w czasie do 15 minut od indukcji), trwającego do 36 godzin i

wracającego do poziomu bazowego po 48 godzinach (Ito 2001, Linden 1996). Interesujące, że STD

obecne jest tylko w komórkach Purkinjego hodowanych w kulturze z komórkami ziarnistymi, a

32 Jeden z najprostszych teoretycznych modeli sztucznej sieci neuronowej, zaproponowany przez Rosenblatta.

31

nieobecne jest in vivo i w doświadczeniach na skrawkach (Ito 2001).

Sygnalizacja w LTD w móżdżku

Pobudzającym neuroprzekaźnikiem w komórkach Purkinjego jest glutaminian uwalniany z

komórek ziarnistych, a jego działanie wspomagane jest pochodzącym z tych samych komórek

tlenkiem azotu (NO) (rys. 17). Generująca tlenek azotu syntaza NO aktywowana jest kalmoduliną

w reakcji na napływ jonów wapnia przez kanały receptora NMDA komórki ziarnistej (Vincent

1996, Dawson 1994).

W odróżnieniu od innych plastycznych neuronów, komórki Purkinjego nie są wyposażone w

receptory NMDA (Ito 2001) i ciężar odbioru sygnalizacji glutaminianem spada na receptory AMPA

(które prowadzą do depolaryzacji neuronu, zupełnie jak w hipokampie) oraz receptory

metabotropowe mGluR grupy I (przede wszystkim mGluR1, Ito 2001). Receptory AMPA,

przepuszczając do komórki jony sodu powodują zmianę jej potencjału i krótkotrwałe włączenie

bramkowanych napięciem kanałów wapniowych33

(Canepari 2008, Ito 2001). Receptory mGluR za

pomocą białka Gq aktywują fosfolipazę typu C (PLC), która rozkłada membranowe fosfolipidy PIP2

na IP3 i DAG34

(Ito 2001). IP3 stymuluje uwolnienie wapnia z cystern wewnątrzkomórkowych (co

przy stymulacji z włókna równoległego może być dodatkowo ułatwione obecnością wapnia

pozostałego po aktywności włókna pnącego (Purves 2004)), natomiast DAG umożliwia aktywację

PKC (Ito 2001, Bellone 2008).

Napływ wapnia z cystern komórki poza kolcami dendrytycznymi nie jest regulowany

wyłącznie receptorami IP3, lecz także receptorami rianodynowymi. Dzieje się tak szczególnie w

odpowiedzi na pobudzenie z włókna pnącego, które prowadzi do dużego napływu wapnia do

komórki przez kanały wapniowe (Berridge 1998, Ito 2001). Obecny w komórce wapń ułatwia

otwieranie cystern rianodynowych, a w odpowiedzi na sygnalizację mGluR, także IP3. Ułatwienie

33 Aby osiągnąć mierzalną zmianę w koncentracji postsynaptycznego wapnia konieczna jest równoczesna stymulacja z

20-30 synaps z komórkami ziarnistymi (Ito 2001).

34 Produkcję DAG/IP3 stymulują również IGF-1 (insulinopodobny czynnik wzrostu, insulin-like growth factor) i

serotonina.

32

aktywacji cystern IP3 w obecności wapnia umożliwia różnicowanie odpowiedzi komórkowej na

stymulację włókien równoległych występującą łącznie ze stymulacją włókna pnącego i stymulację

niekoincydentną (Ito 2001, Berridge 1998). Osiągane w komórce podczas depolaryzacji stężenia

wapnia wynoszą 5µM w ciele komórki i 30µM w dendrytach (Ito 2001).

Wapń w pierwszej kolejności aktywuje kinazę PKC, fosforylującą GluR2 na serynie 880,

zmniejszając powinowactwo tej jednostki do białka kotwiczącego GRIP (Glutamate Receptor

Interacting Protein—białko oddziałujące z receptorem glutaminianu). Stanowi to pierwszy etap

procesu internalizacji receptora (Ito 2001, Shepherd 2007). Wapń aktywuje również kinazy

CAMKIV oraz MAPK (przez kaskadę Ras lub PKC), które po przedostaniu do jądra regulują

ekspresję genów, np. BDNF (Ito 2001). Dalsze zwiększenie stężenia wapnia w komórce

(maksimum koncentracji wapnia uwalnianego z cystern IP3 pojawia się dopiero po 200-300ms (Ito

2001)) wprowadza po pewnym czasie autoregulację kinazy PKC poprzez wepchnięcie do

membrany fosfolipazy PLA2, która aktywowana przez PKC prowadzi syntezę kwasu

arachidonowego. Kwas arachidonowy stymuluje kinazę DAG (DGK, DAG kinase),

unieczynniającą istotny dla aktywności PKC diacyloglicerol (Ito 2001).

Wapń odgrywa również rolę sygnalizatora w obszarze presynaptycznym. Napływając

kanałami NMDA do komórki ziarnistej wzmaga ilość produkowanego NO (Vincent 1996),

emitowanego następnie na zasadzie dyfuzji do komórki Purkinjego (niekoniecznie w obrębie tylko

własnej synapsy). W komórce Purkinjego tlenek azotu pobudza cyklazę guanylową, aktywującą za

pośrednictwem cGMP kinazę PKG, która poprzez aktywację G-substratu hamuje czynność fosfataz

PP1 i PP2A (Vincent 1996, Endo 2009, Shin 2005). Sygnalizacja NO wpływa też na poziom

ekspresji genu wczesnej odpowiedzi Jun-B, regulującego transkrypcję białek w kompleksach AP-1

(Ito 2001).

LTD w komórkach Purkinjego może w początkowych etapach zależeć od trwałej

desensytyzacji fosforylowanych receptorów AMPA. Potwierdzają to doświadczenia z substancjami

33

redukującymi efekt desensytyzacji (aniracetamem), które mogą kompensować LTD (Ito 2001).

Innym czynnikiem jest osłabienie presynaptyczne. Komórka Purkinjego z pobudzonymi

receptorami mGluR sygnalizuje wstecznie do presynaptycznej komórki ziarnistej za pomocą

endokannabinoidów i wymusza tymczasowe osłabienie uwalniania neuroprzekaźnika. Efekt ten

szczególnie wyraźnie występuje przy wspólnej aktywacji włókna pnącego i równoległego, co

prowadzi do hipotezy o sterowaniu czasową koordynacją tych impulsów (Bellone 2008) i unikaniu

nadmiernego pobudzenia synapsy z włóknem równoległym (Kano 2008).

LTP w komórkach Purkinjego

Po odkryciu LTD w synapsach między komórkami Purkinjego a komórkami ziarnistymi (Ito

Rysunek 17: Próba zilustrowania ważniejszych etapów przebiegu LTD w komórce Purkinjego. Pod

wpływem stymulacji włókna pnącego (CF), dzięki aktywności receptorów AMPA włączają się

kanały wapniowe zależne od napięcia (VGCC) do komórki napływa wapń, polaryzujący cysterny

IP3R do uwolnienia wapnia w czasie stymulacji IP3. Następnie, aktywność włókna równoległego

(PF) aktywuje mGluR, który za pomocą białka Gq uruchamia fosfolipazę typu C (PLC), generującą

diacyloglicerol oraz IP3. IP3 uwalnia wapń z wewnętrznych cystern, a DAG aktywuje PKC, która

umożliwia internalizację receptora AMPA przez interakcję z białkiem GRIP na jednostce GluR2.

Równolegle zachodzi sygnalizacja NO, generowana aktywnością syntazy NO, pobudzanej

presynaptycznym napływem wapnia przez kanały NMDA. Postsynaptycznie, pobudzona cyklaza

guanylowa generuje PKG i uruchamia G-substrat, redukujący aktywność fosfataz PP1 i PP2A.

34

1982) przez długi czas obowiązywał model uczenia motorycznego z osłabieniem synaptycznym

jako wyłącznym źródłem plastyczności komórek Purkinjego. Sytuacja zmieniła dopiero po roku

2000, gdy na tych synapsach udało się powtarzalnie wywoływać LTP. Znany był wówczas jedynie

mechanizm presynaptycznego LTP indukowanego stymulacją 4-8Hz, w którym presynaptyczny

napływ wapnia aktywuje zależną od wapnia/kalmoduliny cyklazę adenylową i ostatecznie kinazę

PKA fosforylującą RIM1α (białko biorące udział w fuzji pęcherzyka synaptycznego z błoną

presynaptyczną) umożliwiające zwiększone wydzielanie neuroprzekaźnika (Lonart 2002, Wang

2009).

Dalsze badania umożliwiły również postsynaptyczną indukcję LTP (Vogt 2010, Coesmans

2004). Można ją wywołać stymulując włókna równoległe częstotliwością 1Hz bez parowania z

aktywnością włókna pnącego. Jeśli w tym protokole włączyć parowanie z włóknem pnącym,

uzyskuje się LTD (Coesmans 2004). Wyniki te zasugerowały, że rolę przełącznika kierunku

przemian plastycznych może pełnić koncentracja wapnia w neuronie postsynaptycznym. Ponieważ

włókno pnące w efekcie złożonych wyładowań iglicowych powoduje znaczny napływ wapnia

zaproponowano, że LTD wywoływane jest wyższym stężeniem wapnia, natomiast LTP pojawia się

przy niższych jego wartościach. Byłaby to odwrócona reguła BCM, o której mowa była już przy

okazji hipokampa. (Vogt 2010).

Następne lata dostarczyły kolejnych protokołów wywoływania LTP: minutowa stymulacja

seriami złożonymi z 7 impulsów o częstości 100Hz, odległymi od siebie o sekundę oraz indukcja

jedną serią, złożoną z 15 impulsów o częstości 100Hz (Vogt 2010). W takich protokołach

koncentracja wapnia generowana z włókien równoległych może przekroczyć napływ wapnia

typowy dla potencjałów postsynaptycznych włókna pnącego, co umożliwiałoby osiągnięcie progu

LTD bez koincydencji z sygnałem błędu. Sugeruje to, że indukcja odpowiedniej formy

plastyczności zależy nie tylko od ilości napływającego wapnia, ale i od jego charakterystyki

czasowej i buforowania w komórce (Vogt 2010, Canepari 2008). Obraz komplikują dodatkowo

35

doświadczenia w których wapń dostarczano przez fotolityczne uwalnianie z

wewnątrzkomórkowych klatek. W takiej technice nie udało się wywołać LTP przy niższych

stężeniach wapnia, co sugeruje konieczność dodatkowej sygnalizacji w indukcji LTP, np. poprzez

tlenek azotu (Tanaka 2007).

Bibliografia

1. Alberini, C. M., 2009. Transcription Factors in Long Term Memory and Synaptic Plasticity.

Physiol. Rev. 89, 121.

2. Albus, J. S., 1971, A theory of cerebellar function, Math. Biosci., 10, 25-61.

3. Albus, J. S., 1989. The Marr and Albus theories of the cerebellum. Two early models of

associative memory, IEEE Proc. COMPCON, 8-13.

4. Anjaneyulu, A., Beret-Spillson, A., Russel, J. W., 2008. Metabotropic glutamate receptors

(mGluRs) and diabetic neuropathy, Current Drug Targets, 9, 85-93.

5. Apps, R., Garwicz, M., 2005. Anatomical and physiological foundations of cerebellar

infromation processing, Nature Reviews, 6, 297-311.

6. Armitage, B. A., Siegelbaum, S. A., 1998. Presynaptic induction and expression of

homosynaptic depression at Aplysia sensoriomotor neuron synapses, The J. Of Neurosci.,

18, 8770-8779.

7. Bailey, C. H., Chen, M., 1988. Morphological basis of short-term habituation in Aplysia,

The J. Of Neurosci., 8, 2452-2459.

8. Bailey, C. H., Chen, M., 1989, Time course of structural changes at identified sensory

neuron synapses during long term sensitization in aplysia. The J. Of Neurosci. 9, 1774-1780.

9. Barria, A., Derkach, V., Soderling, T., 1997. Identification of the Ca2+

/Calmodulin-

dependent protein kinase II regulatory phosphorylation site in the α-amino-3-hydroxyl-5-

methyl-4-isoxazole-propionate-type glutamate receptor, The J. Of Biol. Chem. 272, 32727-

32730.

36

10. Bellone,C., Luscher, C., Mameli, M., 2008. Mechanisms of synaptic depression truggered

by metabotropic glutamate receptors, Cell. Mol. Life Sci., 65, 2913-2923.

11. Bermudez-Rattonim F., 2007. Neural plasticity and memory: from genes to brain imaging,

CRC Press.

12. Berridge, J.M., 1998. Neuronal calcium signaling, Neuron, 21, 13-26.

13. Berridge, M., 2008. Cell Signalling Biology, www.biochemj.org/csb, wydanie online.

14. Bliss, T. V., Lomo, T., 1973. Long-lasting potentiation of synaptic transmission in the

dentate area of the anaesthetized rabbit following stimulation of the perforant path. J.

Physiol. 232, 331.

15. Bliss, T., Schoepfer, R., 2004. Controlling the ups and downs of synaptic strength, Science,

304, 973-974.

16. Bochenek, A., Reicher, M., 1981. Anatomia człowieka, tom IV, PZWL.

17. Borlikova, G., Shogo, E., 2009. Inducible cAMP Early Repressor (ICER) and Brain

Functions, Mol. Neurobiol. 40, 73.

18. Bronchud, M. H., 2008. Principles of molecular oncology, Humana Press.

19. Brunelli, M, Castellucci, V., Kandel, E. R., 1976. Synaptic facilitation and behavioral

sensitization in Aplysia: the possible role of serotonin and cyclic AMP, Science 194, 1178-

1181.

20. Byrne, J. H., 2009. Concise learning and memory, Elsevier.

21. Byrne, J., Menzel R., 2008. Learning and memory, a comprehensive reference, vol. 4,

Elsevier.

22. Canepari, M., Vogt, K. E., 2008. Dendritic spike saturation of endogenous calcium buffer

and induction of postsynaptic cerebellar LTP, PLOS ONE, 3, e4011.

23. Coesmans, M., Weber, J.T., De Zeeuw, C. I., Hansel, C., 2004. Bidirectional parallel fiber

plasticity in the cerebellum under climbing fiber control, Neuron, 18,691-700.

37

24. Cohen, P., 1989. The structure and regulation of protein phosphatases. Annu Rev. Biochem.,

58, 453-508,.

25. Davies, R. W., Morris, B. J., 2004. Molecular biology of the neuron, Oxford Univeristy

Press.

26. Dawson, T., Snyder, S. H., 1994. Gases as biological messengers: nitric oxide and carbon

monoxide in the brain, The J. Of Neurosci., 14, 5147-5159.

27. De Zeeuw, C. I., 1998. Microcircuitry and function of the inferior olive, Trends Neurosci,

21,391-400.

28. Dingledine, R., Borges, K., Bowie, D., Traynelis, S. F., 1999. The glutamate receptor ion

channels, Pharmacological Reviews, 51, 7-61.

29. Dudai, Y., 2004. The neurobiology of consolidations, or, how stable is the engram? Annu.

Rev. Psychol., 55, 51-86.

30. Dudek, S., Bear, M., 1992. Homosynaptic long-term depression in area CA1 of

hippocampus and effects of N-methyl-D-aspartate receptor blockade, PNAS, 89, 4363-4367.

31. Ekerot, C.F., Jorntell, H, 2003. Parallel fiber receptive fields: a key to understanding

cerebellar operation and learning, The Cerebellum, 2, 101-109.

32. Endo, S., Shutoh, F., Le Dinh, T, Okamoto, T., Ikeda, T., Suzuki, M., Kawahara, S.,

Yanagihara, D., Sato, Y., Yamada, K., Sakamoto, T., Kirino, Y., Hartell, N. A., Yamaguchi,

K., Itohara, S., Nairn, A.C., Greengard, P., Nagao, S., Ito, M., 2009. Dual involvement of G-

substrate in motor learning revealed by gene deletion, PNAS, 106, 3525-3530.

33. Esdin, J., Pearce, K., Glanzman, D. L., 2010. Long term habituation of the gill withdrawal

reflex in Aplysia requires gene transcription, calcineurin and L-type voltage gated calcium

channels, Front. In Beh. Neurosci., 4, 1.

34. Fink, C. C., Meyer, T., 2002. Molecular mechanisms of CaMKII activation in neuronal

plasticity, Current Opinion in Neurobiology, 12, 293-299.

38

35. Frey, U., Krug, M., Reymann, K. G., 1988. Anisomycin, an inhibitor of protein synthesis,

blocks late phases of LTP phenomena in the hippocampal CA1 region in vitro, Brain

Research, 452, 57-65.

36. Genoux, D., Haditsch, U., Knobloch, M., Michalon, A., Storm, D., Manusy, I. M., 2002.

Protein phosphatase 1 is a molecular constraint on learning and memory, Nature, 418, 970-

975.

37. Gereau, R., 2008. The glutamate receptors, Humana Press.

38. Glanzman, D., 2009. Habituation in Aplysia: The Cheshire Cat of neurobiology, Neurobiol.

of Learn. and Mem. 92, 147.

39. Glanzmanm D., 2006. The cellular mechanisms of learning in Aplysia: of blind men and

elephants, Biol. Bull. 210, 271-279.

40. Gluck, M. A., Myers C. E., 1997. Psychobiological models of hippocampal function in

learning and memory, Annu. Rev. Psychol., 48, 481-514.

41. Goedhart, J., Gadella, T. W. J., 2009. Fluorescence resonance energy transfer imaging of

PKC signalling in living cells using genetically encoded fluorescent probes, J. Royal Soc.

Interface, 6, 23-34.

42. Gorzelańczyk, E. J., 2000. Pamięć, świadomość, język. Zastosowanie algorytmu

optymalizującego odstępy między powtórkami w glottodydaktyce. Medsystem, Poznań.

43. Gover, T. D., Abrams, T. W., 2009. Insights into a molecular switch that gates sensory

neuron syapses during habituation in Aplysia, Neurobiol. of Learn. and Mem., 92, 155-165.

44. Gover, T. D., Jiang, X-Y., Abrams, T. W., 2002. Persistent, exocytosis-independent silencing

of release sites underlies homosynaptic depression at sensory synapses in Aplysia, The J. Of

Neurosci., 22, 1942-1955.

45. Hames, D., Hooper, N., 2010, Biochemia, PWN, Warszawa.

46. Hawkins, R. D., Kandel, E. R., Bailey, C. H., 2006. Molecular mechanisms of memory

39

storage in Aplysia, Biol. Bull. 210, 174-191.

47. Hebb, D.O., 1949. The organization of behavior. Wiley, New York, 1949.

48. Ito, M., Kano, M., 1982. Long lasting depression of parallel fiber-purkinje cell transmission

induced by conjunctive stimulation of parallel fibres and climbing fibres in the cerebellar

cortex, Neurosci. Lett., 33, 253-258.

49. Ito, M., 2001. Cerebellar long-term depression: characterization, signal transduction and

functional roles, Pharmacological Reviews, 81, 1143-1195.

50. Kaczmarek, L., 1997. Sensory regulation of immediate—early gene expression in

mammalian visual cortex: implications for functional mapping and neural plasticity, Brain

Research Reviews, 23, 237-256.

51. Kaczmarek, L., 2002. Handbook of chemical neuroanatomy, Vol. 19: Immediate early genes

and inductible transcription factors in mapping of the central nervous system function and

dysfunction. Elsevier.

52. Kandel, R. E., 2000. Principles of Neural Science, McGraw Hill.

53. Kandel, R. E., 2000. Wykład noblowski.

54. Kemp, N., Bashir, Z. I., 2001. Long term depression: a cascade of induction and expression

mechanisms, Progress in Neurobiology, 65, 339-365.

55. Knapska, E., Kaczmarek, L., 2004. A gene for neuronal plasticity in the mammalian brain:

Zif268/Egr-1/NGFI-A/Krox-24/TIS8/ZENK?, Progress in Neurobiology, 74, 183-211.

56. Konorski J., 1948. Conditioned reflexes and neuron organization. Cambridge Univ. Press,

Cambridge.

57. Kossut, M. , 1994, Mechanizmy plastyczności mózgu. PWN, Warszawa.

58. Krishna, S. S., Majumadar, I., Grishin, N., 2003. Structural classification of zinc fingers,

Nucl. Acids Res. 31, 532-550.

59. Lee, H. K., 2006. Synaptic plasticity and phosphorylation, Pharmacology & Therapeutics,

40

112, 810-832.

60. Lee, Y. S., Bailey, C. H., Kandel, E. R., Kaang, B. K., 2008. Transcriptional regulation of

long term memory in the marine snail Aplysia, Molecular Brain, 1:3.

61. Linden, D.J., 1996. A Protein Synthesis–Dependent Late Phase of Cerebellar Long-Term

Depression , Neuron, 17, 483–490.

62. Lisman, J., 1989. A mechanism for the Hebb and anti-Hebb processes of underlying learning

and memory, Proc. Natl. Acad. Sci., 86, 9574-9578.

63. Loerbich, S., Nedivy, E., 2009. The function of activity-regulated genes in the nervous

system, Physiol. Rev. 89, 1079-1103.

64. Lonart, G., 2002. RIM1: an edge for presynaptic plasticity, Trends in Neurosci., 25, 329-333.

65. Lonze, B. E., Ginty, D. D., 2002. Function and Regulation of CREB family Transcription

Factors in the Nervous System, Neuron, 35, 605.

66. Malenka, R. C., 1995. LTP and LTD: Dynamic and interactive processes of synaptic

plasticity, The Neuroscientist, 1, 35-42.

67. Marsh, M., McMahon, T., 1999. The structural era of endocytosis, Science, 285, 215-220.

68. McCue, H. V., Hayens, L. P., Bourgoyne, R. D., 2010. The diversity of calcium sensor

proteins in the regulation of neuronal function, CSH Perspectives in Biology, 2:a004085.

69. Means, A. R., 2000. Regulatory cascades involving calmodulin dependent protein kinases,

Mol. Endocrinol.,14, 4-13.

70. Messaoudi, E., Kanhema, T., Soule, J., Tiron, A., Dagyte, G., da Silva B., Bramham , C., R.,

2007. Sustained Arc/Arg3.1 Synthesis Controls Long-Term Potentiation Consolidation

through Regulation of Local Actin Polymerization in the Dentate Gyrus In Vivo , The

Journal of Neuroscience, 27,10445–10455.

71. Miller, P., Zhabotinsky, A. M., Lisman J. E., 2005. The stability of a stochastic CAMKII

switch: dependence on the number of enzyme molecules and protein turnover, PLOS

41

Biology, 3, 705-717.

72. Milner, B., Scoville, W. B., 1957. Loss of recent memory after bilateral hippocampal

lesions, J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry, 20, 11-21.

73. Molina, J. R., 2006. The Ras/Raf/MAPK pathway, J. Thorac. Oncol., 1, 7-9.

74. Nakajima, T., Uchida, Ch., Anderson, S. F., Lee, Ch-G., Hurwitz, J., Parvin, J. D.,

Montminy, M., 1997. RNA helicase A mediates association of CBP with RNA polymerase

II. Cell, 90, 1107-1112.

75. Neveu, D., Zucker, R., 1996. Long lasting potentiation and depression without presynaptic

activity, J. of Neurophysiology, 75, 2157-2161.

76. Oh, M. C., Derkach, V. A., Guire, E. S., Soderling, T., 2006. Extrasynaptic membrane

trafficking regulated by Glur1 serine 845 phosphorylation primes AMPA receptors for long

term potentiation, The J. of Biol. Chem., 281, 752-758.

77. Pak, D. T. S., Rudolph-Correia, S., Kim, E., Sheng, M., 2001. Regulation of dendritic spine

morphology, Neuron, 31, 289-303.

78. Purves, D., 2004. Neuroscience, Sinauer.

79. Ramji, D. P., Foka, P., 2002. CCAAT/enhancer-binding proteins: structure, function and

regulation, Biochem. J., 365, 561-575.

80. Roberson, E. D., Sweat, J. D., 1996. Transient activation of cyclic AMP dependent kinase

during hippocampal long term potentiation, The J. of. Biol. Chem. 271, 30436-30441.

81. Ronesi, J. A., Huber, K. M., 2008. Homer Interactions Are Necessary for Metabotropic

Glutamate Receptor-Induced Long-Term Depression and Translational Activation, The J. Of

Neurosci., 28, 543-547.

82. Sharma, S. K., Carew, T. J., 2004. The roles of MAPK cascades in synaptic plasticity in

Aplysia: facilitatory effects and inhibitory constraints, Learning & Memory, 11, 373-378.

83. Shepherd, J. D., Hunganir, R. L., 2007. The cell biology of synaptic plasticity: AMPA

42

receptor trafficking, Annu. Rev. Cell Dev. Biol., 23, 613-643.

84. Shin, J. H, Linden, D.J., 2005. An NMDA Receptor/Nitric Oxide Cascade Is Involved in

Cerebellar LTD But Is Not Localized to the Parallel Fiber Terminal, J. Neurophysiol., 94,

4281-4289.

85. Siegel, G. J., Albers, R. W., 2006. Basic neurochemistry: molecular, cellular, and medical

aspects, Academic Press.

86. Silva, A. J., Kogan, J. H., Frankland, P. W., 1998. CREB and memory, Annu. Rev. Neurosci.,

21, 127-148.

87. Smolen, P., Douglas, A., Byrne, J. H., 2006. A model of the roles of essential kinases in the

induction and expression of late long-term potentiation, Biophys. J., 90, 2760-2775.

88. Sonenberg, N., Gingars, A. C., 1998. The mRNA 5' cap-binding protein eIF4E and control

of cell growth, Current Opinion in Cell Biology, 10, 268-275.

89. Spilker, Ch., Kreutz, M. R., 2010. RapGAPs in brain: multipurpose players in neuronal Rap

signalling, Europ. J. Of Neurosci., 32, 1-9.

90. Squire L., Berg, D., Bloom, F., du Lac S., Ghosh, A., Spitzer, N., 2008. Fundamental

neuroscience, Academic Press.

91. Strata, P., 2009. David Marr's theory of cerebellar learning: 40 yearslater, J. Physiol, 587,

5519-5520.

92. Tanaka, K., Khiroug, L., Santamaria, F., Tomokazu, D., Ogasawara, H., Ellis-Davies,

G.C.R., Kawato, M., Augustine, G.J., 2007. Ca2+ requirements for cerebellar long term

synaptic depression: role for a postsynaptic leaky integrator, Neuron, 54, 787-800.

93. Thompson, K. R., Otis, K. O., Chen, D. Y., Zhao, Y., O'Dell, T. J., Martin, K. C., 2004.

Synapse to nucleus signaling during long-term synaptic plasticity: a role for the classical

active nuclear import pathway, Neuron 44, 997-1009.

94. Vincent, S. R., 1996. Nitric oxide and synaptic plasticity: NO news from the cerebellum,

43

Behavioral and Brain Sci. 19, 362-367.

95. Wang, X., Chen, G., Gao, W., Ebner, T., 2009. Long term potentiation of the responses to

parallel fiber stimulation in mouse cerebellar cortex in vivo, Neuroscience, 162, 713-722.

96. Washbourne, P., Dityatev, A., Scheiffele, P., Biederer, T., Weiner, J. A., Christopherson, K.

S., El-Husseini, A., 2004. Cell adhesion molecules in synapse formation, The J. Of

Neurosci., 24, 9244-9249.

97. West, A. E., Chen, W. G., Dalava, M. B., Dolmetsch, R. E., Kornhauser, J. M., Shaywitz, A.

J., Takasu, M. A., Tao, X., Greenberg, M. E., 2001. Calcium regulation of neuronal gene

expression, PNAS, 98, 11024-11031.

98. Yamamoto, T., Shinichiro, T., Kaibuchi, K., 1999. Ras-induced transformation and signaling

pathway, J. Biochem. 126, 799-803.

99. Yang, S. N., Tang Y. G., Zucker, R. S., 1999. Selective induction of LTP and LTD by

postsynaptic [Ca2+]i elevation. J. Neurophysiol., 81, 781-787.

100. Yasuda S., Tanaka, H., Sugiura, H., Okamura, K., Sakaguchi, T., Tran, U., Takemiya,

T., Mizoguchi, A., Yagita, Y., Sakurai, T., De Robertis, E. M., Yamagata, K., 2007. Activity-

Induced Protocadherin Arcadlin Regulates Dendritic Spine Number by Triggering N-

Cadherin Endocytosis via TAO2b and p38 MAP Kinases, Neuron, 56, 456–471.

101. Zhai, R. G., Bellen, H. J., 2004. The architecture of the active zone in the presynaptic

nerve terminal. Physiology, 19, 262-270.

44

Podpisy pod rysunkami:

Rysunek 1: Aplysia Californica

Rysunek 2: Schemat badanego układu nerwowego Aplysii (na postawie Purves, 2004).

Rysunek 3: Aktywacja PKA: serotonina wiążąc się z receptorem uwalnia białko G, stymulujące

cyklazę adenylową, która produkuje cAMP, aktywujące PKA i odsłaniające jej centra katalityczne

K.

Rysunek 4: Schemat aktywacji transkrypcji przez CREB na podstawie (West 2001). RHA oznacza

helikazę RNA typu A i wiąże pośrednio CBP z polimerazą RNA typu II. W kompleksie kasety TATA

zaznaczone są tylko domeny istotne dla wyjaśnienia roli CREB.

Rysunek 5: Organizacja genowa CREB oraz pozostałych członków rodziny bZIP (CREM i ATF1, o

których mowa będzie w dalszych paragrafach).

Rysunek 6: Schemat sieci neuronalnej hipokampa. Włókna wejściowe kory węchowej stymulują

komórki ziarniste zakrętu zębatego, które poprzez włókna kiciaste pobudzają komórki piramidowe

CA3. Komórki CA3 z kolei pobudzają komórki CA1, a także rekurencyjnie siebie same.

Rysunek 7: Schemat neuronalnej sieci asocjacyjnej hipokampa

Rysunek 8: Ilustracja przebiegu LTP (na podstawie Bliss, 1973): widoczne ułatwienie

przewodnictwa neuronalnego (ilości neuronów uruchomianych stymulacją włókna wejściowego).

Rysunek 9: Zmiany przebiegu impulsu po LTP (na podstawie Bliss, 1973). Widoczne zwiększenie

nachylenia zbocza po LTP (linia ciągła), oznaczające zwiększenie przewodności jonowej błony

postsynaptycznej.

Rysunek 10: Schemat indukcji LTP. A. aktywność receptorów AMPA prowadzi do depolaryzacji

45

komórki, B. dodatni ładunek zgromadzony w komórce wypycha blokujący jon magnezu receptora

NMDA, C. kanał NMDA wprowadza do komórki wapń i D. wapń indukuje kaskady przemian

plastycznych.

Rysunek 11: Schemat aktywacji CAMKII. W obecności jonów wapnia kalmodulina ulega aktywacji i

odsłania hydrofobowe łatki. Następnie wiąże się z CAMKII (w punkcie C), odwijając jej ramię,

które utrzymywało miejsce katalityczne K w stanie autoinhibicji. Aktywna kinaza może fosforylować

sąsiednią aktywną jednostkę CAMKII i zablokować czynność autoinhibitora A, uniezależniając się

od wapnia. Defosforylacja autoinhibitora przy braku wapnia skutkuje dezaktywacją kinazy.

Rysunek 12: Aktywacja PKC: pod wpływem PLC, fosfolipid PIP2 rozpada się na IP3 oraz DAG.

IP3 służy sygnalizacji do wewnętrznych cystern wapniowych, natomiast DAG bierze czynny udział

w aktywacji PKC. PKC normalnie jest w stanie nieaktywnym. Po związaniu wapnia w jednostkę C2,

może przyłączyć się do membrany, gdzie jednostka C1 może związać się z DAG. Kiedy to się stanie,

pseudosubstrat usuwany jest z katalitycznej jednostki C4 i kinaza staje się aktywna.

Rysunek 13: Współzawodnictwo między PKA i PP2B w aktywacji I-1, a tym samym w regulacji

czynności fosfatazy PP1.

Rysunek 14: Struktura bZIP: suwak leucynowy odpowiada za dimeryzację jednostek natomiast

część zasadowa odpowiada za wiązanie z DNA

Rysunek 15: Struktura palca cynkowego wg (Krishna 2003). Jon cynku stabilizuje jedną alfa helisę i

dwie beta harmonijki. Obszar alfa-helisy wnika w szeroką bruzdę DNA.

Rysunek 16: Obwód komórki Purkinjego. Informacja wejściowa przychodzi włóknami kiciastymi, z

których przekodowywana jest na komórki ziarniste i jej włókna równoległe. Aktywność komórki

ziarnistej regulowana jest w sprzężeniu zwrotnym z udziałem komórek Golgiego. Włókna

równoległe biorą udział w stymulacji komórki Purkinjego. Drugim źródłem stymulacji komórki

46

Purkinjego są włókna pnące, niosące sygnał błędu. Uruchomiona komórka Purkinjego oddziałuje

hamująco na jądra móżdżku (DCN), które pobudzane są włóknami kiciastymi.

Rysunek 17: Próba zilustrowania ważniejszych etapów przebiegu LTD w komórce Purkinjego. Pod

wpływem stymulacji włókna pnącego (CF), dzięki aktywności receptorów AMPA włączają się

kanały wapniowe zależne od napięcia (VGCC) do komórki napływa wapń, polaryzujący cysterny

IP3R do uwolnienia wapnia w czasie stymulacji IP3. Następnie, aktywność włókna równoległego

(PF) aktywuje mGluR, który za pomocą białka Gq uruchamia fosfolipazę typu C (PLC), generującą

diacyloglicerol oraz IP3. IP3 uwalnia wapń z wewnętrznych cystern, a DAG aktywuje PKC, która

umożliwia internalizację receptora AMPA przez interakcję z białkiem GRIP na jednostce GluR2.

Równolegle zachodzi sygnalizacja NO, generowana aktywnością syntazy NO, pobudzanej

presynaptycznym napływem wapnia przez kanały NMDA. Postsynaptycznie, pobudzona cyklaza

guanylowa generuje PKG i uruchamia G-substrat, redukujący aktywność fosfataz PP1 i PP2A.